MAGISTRSKO DELO. Janja Rotovnik

Transkripcija

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO Oddelek za tehniko MAGISTRSKO DELO Janja Rotovnik Dravograd, 2018

2 Koroška cesta Maribor, Slovenija Magistrsko delo POUČEVANJE IZBIRNEGA PREDMETA ROBOTIKA V TEHNIKI TEACHING AN OPTIONAL SUBJECT ROBOTICS IN TECHNOLOGY Avtorica: Janja Rotovnik Mentorica: izr.prof.dr. Mateja Ploj Virtič Somentor: doc. dr. Nenad Muškinja Dravograd, junij

3 2

4 ZAHVALA Za spodbudo, strokovno pomoč in usmerjanje pri nastajanju magistrskega dela se zahvaljujem mentorici izr. prof. dr. Mateji Ploj Virtič in somentorju doc. dr. Nenadu Muškinji. Zahvaljujem se tudi svoji družini za vso potrpežljivost in spodbudo tekom celotnega študija. 3

5 POVZETEK Tehnologija se dandanes zelo hitro razvija. Še posebej hiter razvoj se kaže na področju robotike, ki je prisotna že na vsakem koraku, tako v industriji kot tudi v vsakdanjem življenju. Zato je pomembno, da se učenci srečajo z robotiko že v osnovni šoli. V ta namen lahko osnovne šole učencem ponudijo izbirni predmet Robotika v tehniki. Vendar to naredijo le, če so ustrezno opremljene in kadar se učitelj, ki bo poučeval ta predmet, čuti dovolj usposobljenega. Ker trenutno v Sloveniji ni tiskanega učbenika za poučevanje robotike v osnovni šoli, ki bi bil potrjen s strani Ministrstva za izobraževanje, znanost in šport, v nadaljevanju MIZŠ, med učitelji vlada»strah«, da predmeta ne bodo sposobni kvalitetno izvesti. Prav tako problem predstavljajo materialna sredstva, saj je za zagotavljanje kakovostnega in učinkovitega pouka potrebna ustrezna strojna in programska oprema. V veliko pomoč pri poučevanju izbirnega predmeta Robotika v tehniki je gotovo uporaba konstrukcijskih sestavljank Fischertechnik in Lego Mindstorms ter uporaba IKT sredstev. Kljub temu pa ima marsikateri učitelj še mnogo vprašanj, saj želi vedeti, na kakšen način uporabiti ta sredstva, kako in v kakšni meri jih vključiti v pouk. V magistrskem delu so zbrani praktični primeri, kako poučevati izbirni predmet Robotika v tehniki ter katera učna gradiva in pripomočke pri tem uporabiti. Ključne besede: robotika v tehniki, problemski pouk, projektni pouk. 4

6 ABSTRACT Nowadays technology is developing remarkably fast. The development can especially be seen in the field of robotics, which is now present at every step of the industry as well as in every-day life. Therefore it is crucial that pupils meet with robotics as early as primary school. Therefore we can offer the subject of robotics as a optional subject but only if there is sufficient equipment and if the teachers carrying the subject feel properly qualified. At the moment there is no textbook in Slovenia for teaching robotics that would be confirmed by the educations government and consequently there is a fear among the teachers that they will not be able to handle the subject and execute it properly. There is also the issue of material means, as special and effective equipment is required to carry out the classes properly. A great help in teaching the subject of robotics is the use of constructive puzzles Fichertechnik and Lego Mindstorms and the use of IKT assets. Despite this many teachers still face the questions of how to use these means and how to incorporate them into their classes. In the dissertation I gathered practical examples on how to teach robotics and which learning materials and accessories to use. Key words: robotics technology, problem solving classes, projects classes. 5

7 KAZALO VSEBINE 1 UVOD PREDSTAVITEV PROBLEMA TEORETIČNI DEL ROBOTIKA NA RAZLIČNIH STOPNJAH IZOBRAŽEVANJA Robotika v osnovni šoli Robotika v srednji šoli Robotika na fakultetah METODE POUČEVANJA IN RAZVOJ KOMPETENC Problemski pouk Projektni pouk Kompetence, ki jih spodbuja pouk Robotike v tehniki Splošni cilji predmeta Robotika v tehniki KONSTRUKCIJSKI ZBIRKI LEGO MINDSTORMS IN FISCHERTECHNIK Fischertechnik Profi E-Tech Lego Mindstorms NXT Lego Mindstorms EV ZBIRKA VAJ ZA POUK ROBOTIKE V TEHNIKI V OSNOVNI ŠOLI NARIŠIMO ROBOTA UVOD V ROBOTIKO ELEKTROMOTOR DVIGALO VOŽNJA NARAVNOST SLALOM ROBOTA RAZISKOVALEC SLEDENJE ČRNI ČRTI SEMAFOR SENZORJI ROBOTA IN DIGITALNI VHOD SENZORJI ROBOTA IN ANALOGNI VHOD VOŽNJA SKOZI LABIRINT OBLIKOVANJE ROBOTSKE ROKE ROBOTSKA ROKA ZAKLJUČEK LITERATURA

8 KAZALO SLIK SLIKA 1: UVODNA STRAN E-UČBENIKA ROBOTIKA V TEHNIKI SLIKA 2: UVODNA STRAN UČNEGA GRADIVA ROBOTIKA SLIKA 3: NASLOVNICE KNJIG O ROBOTIKI SLIKA 4: PRIMERJAVA MED PROBLEMSKIM IN PROJEKTNIM POUKOM SLIKA 5: FISCHERTECHNIK PROFI E-TECH SLIKA 6: VMESNIK EPRODAS-ROB SLIKA 7: KRMILNIK ARDUINO UNO SLIKA 8: LEGO MINDSTORMS NXT SLIKA 9: LEGO MINDSTORMS NXT S SENZORJI IN MOTORJI SLIKA 10: LEGO MINDSTORMS EV SLIKA 11: SENZOR BARV SLIKA 12: INFRARDEČI SENZOR BLIŽINE SLIKA 13: ŽIROSKOP SLIKA 14: HUMANOIDNI ROBOT ASIMO SLIKA 16: DVIGALO SLIKA 17: MOTORJU LAHKO NASTAVIMO TUDI SMER MOTORJA SLIKA 18: PRIMER POTI, KI NAJ JO PREVOZI ROBOT SLIKA 19: RAZPOREDITEV BARVE SLIKA 20: PRIMER PROGRAMA SLEDENJA ČRNI ČRTI SLIKA 21: BRANJE SVETLOBNEGA SENZORJA SLIKA 22: ROBOTSKA ROKA

9 1 UVOD 1.1 Predstavitev problema Tehnologija se dandanes zelo hitro razvija. Še posebej hiter razvoj se kaže na področju robotike, ki je prisotna že na vsakem koraku. Tako se dandanes roboti uporabljajo v industriji, pri raziskovanju vesolja, v medicini, pomagajo invalidom in še veliko več. Roboti postajajo del vsakdanjega življenja, saj se uvajajo in prihajajo že v naša gospodinjstva. Zato je zdaj bolj kot kdajkoli pomembno, da pripravimo učence za prihodnost, da postanejo ustvarjalni in inovativni ter produktivni člani družbe. To pa lahko pridobijo z učenjem robotike v šoli. S poučevanjem učencev o osnovah robotike jim lahko odpremo povsem nov svet in vznemirljive priložnosti, ki jih drugače ne bi imeli. V ta namen lahko osnovne šole učencem v osmem in devetem razredu ponudijo izbirni predmet Robotika v tehniki. Robotika v tehniki je enoletni tehnični izbirni predmet, pri katerem učenci spoznavajo pomen in vlogo robotike v vsakdanjem življenju, v vsakdanjem okolju in proizvodnji ter njen vpliv na kakovost življenja in dela (Učni načrt Robotika v tehniki, 2002). Vendar se marsikateri učitelji le s težavo odločijo za izvajanje izbirnega predmeta Robotika v tehniki. Eden izmed vzrokov je ta, da je robotika vključena v študijski program šele zadnjih 10 let, tako da se učitelji, ki so zaključili fakulteto pred tem, s temi vsebinami nikoli niso srečali in se verjetno ne čutijo dovolj kompetentni za poučevanje tega predmeta. Ker trenutno v Sloveniji ni tiskanega učbenika za poučevanje Robotike v tehniki, ki bi bil potrjen s strani MIZŠ, med učitelji vlada»strah«, da predmeta ne bodo sposobni kvalitetno izvesti. Prav tako problem predstavljajo materialna sredstva, saj je za zagotavljanje kakovostnega in učinkovitega pouka potrebna ustrezna strojna in programska oprema. V veliko pomoč pri poučevanju izbirnega predmeta Robotika v tehniki je gotovo uporaba konstrukcijskih sestavljank Fischertechnik in Lego Mindstorms ter različnih krmilnikov. Kljub temu pa se marsikateremu učitelju še vedno zastavi vprašanje, na kakšen način uporabiti ta sredstva, kako in v kakšni meri jih vključiti v pouk. 8

10 V magistrskem delu je v teoretičnem delu najprej predstavljena robotika na različnih ravneh izobraževanja v Sloveniji. Nato sta opisani metodi poučevanja, ki ju lahko uporabimo pri poučevanju izbirnega predmeta Robotika v tehniki, ter kompetence, ki jih pri tem razvijamo. V nadaljevanju pa so zbrani primeri, kako lahko vsebino pouka (izbirnega predmeta Robotika v tehniki) obogatimo s pomočjo konstrukcijskih sestavljank Fischertechnik in Lego Mindstorms ter kako lahko ta postane nepogrešljivi člen učne ure. 9

11 2 TEORETIČNI DEL 2.1 Robotika na različnih stopnjah izobraževanja Z robotiko se učenci srečujejo tako v domačem okolju, s pomočjo igrač kot tudi na različnih stopnjah v procesu izobraževanja Robotika v osnovni šoli Z razvojem računalništva in programskih jezikov ter uvajanjem računalništva v osnovne šole se je v poznih 80-ih letih prejšnjega stoletja v osnovne šole začela uvajati tudi robotika. Sprva le kot enomesečni ali dvomesečni krožek, saj v večini šole niso imele ustrezne opreme in je oprema krožila med šolami. S pojavom prvih hišnih računalnikov pa so se na nekaterih šolah začeli tudi krožki, kjer so učenci spoznavali osnove robotike. Takrat so v osnovnih šolah za izvajanje krožka uporabljali predvsem Fischerjeve komplete z ustreznim vmesnikom in osebne računalnike s programskim jezikom BASIC (Ozmec, 2012). Razvoj robotike v osnovnih in srednjih šolah se je nadaljeval, ko so se te v okviru projekta računalniško opismenjevanje (RO) opremile s potrebno strojno in programsko opremo. Za izvajanje interesnih dejavnosti s področja robotike so se učitelji oz. mentorji tudi dodatno izobraževali na različnih seminarjih. Z uvedbo devetletke pa sta se v osnovnošolsko izobraževanje poleg ostalih izbirnih predmetov uvedla dva izbirna predmeta s področja robotike, in sicer Elektronika z robotiko in Robotika v tehniki. Robotiko v tehniki si lahko učenec izbere v 8. ali v 9. razredu osnovne šole. Je enoletni izbirni predmet, ki obsega 35 ur v šolskem letu. Izbirni predmet se lahko izvaja eno uro na teden, vendar se zaradi praktičnega dela pogosteje izvaja v dveh, zaporednih šolskih urah skupaj in le eno polletje. Učenec si lahko izbere ta izbirni predmet samo enkrat. Ker izbirni predmeti niso del obveznega OŠ programa, jih OŠ učencem ponudi. Da pa lahko OŠ izvaja oz. ponudi izbrani izbirni predmet, mora biti za to primerno 10

12 opremljena z didaktičnimi konstrukcijskimi zbirkami. Najbolje je, da ima šola na voljo toliko konstrukcijskih zbirk, da lahko učenci pri pouku Robotike v tehniki delajo v dvojicah, kar je predlagano tudi v učnem načrtu. Pouk naj bi potekal v računalniški učilnici, saj učenci poleg praktičnega dela uporabljajo tudi računalnike za programiranje. V veliko pomoč pri poučevanju izbirnega predmeta Robotika v tehniki je gotovo uporaba konstrukcijskih sestavljank Fischertechnik in Lego Mindstorms ter uporaba različnih krmilnikov. V Sloveniji trenutno ni tiskanega učbenika za poučevanje Robotike v tehniki, ki bi bil potrjen s strani MIZS. Pedagoška fakulteta Univerze v Ljubljani je v sodelovanju s Comlabom (računalniško podprt laboratorij pri pouku naravoslovja in tehnike), Ministrstvom za šolstvo in šport RS, Evropskim nacionalnim skladom in pilotnim projektom Leonarda da Vincija v okviru projekta Narteh oblikovala e-učbenik za izbirni predmet Robotika v tehniki v OŠ (Trošt, 2009 in Kozjek, 2012). Vsebina e-učbenika vsebuje celotno vsebino predmeta skladno z učnim načrtom. Razvili so mobilnega robotka, katerega srce je vezje eprodas-rob1. Ker je treba to vezje tudi programirati, so pripravili zbirko primerov v programskem okolju Visual basic Express Edition ( V e-učbeniku pa najdemo tudi primere partnerskih šol, ki so sodelovale v projektu (Slika 1). Slika 1: Uvodna stran e-učbenika Robotika v tehniki. (Vir: 11

13 Znanje iz robotike si lahko učenci v OŠ pridobijo tudi s pomočjo interesnih dejavnosti, v zmanjšanem obsegu pa tudi pri tehniških dnevih. V zadnjem času pa so zelo priljubljena tudi tekmovanja iz robotike. Za osnovnošolce so to: tekmovanji LEGO bum in ROBOsled, ki sta predtekmovanji za državno tekmovanje ROBObum in mednarodno tekmovanje First Lego League (FLL). Prav tekmovanja pa so tista, ki povečujejo interes učencev za robotiko. V zadnjih letih je najbolj priljubljeno tekmovanje First Lego League (FLL), število prijavljenih ekip pa iz leta v leto narašča Robotika v srednji šoli Do leta 2006 so se dijaki v srednješolskem strokovnem izobraževanju z robotiko srečali le na programu Strojni tehnik in Elektrotehnik. Znanja iz osnov robotike, zgradbe robotov in principe programiranja robotov dijaki na teh programih pridobijo v izbirnem modulu Avtomatizacija in robotika, ki traja 158 ur na leto. Zaradi potreb delodajalcev pa se je v šolskem letu 2006/2007 začel izvajati tudi program Tehnik mehatronike. V tem programu se dijaki srečajo z robotiko pri obveznem strokovnem modulu Robotika, ki traja 124 ur na leto. V tem modulu dijaki: spoznajo sestavne dele industrijskega robota; se seznanijo s priporočili za varno delo z robotom; spoznajo delovanje operacijskega panela; se naučijo robota voditi s pomočjo operacijskega panela; spoznajo osnovne ukaze za vodenje in programiranje robota; spoznajo osnovne robotske aplikacije; se naučijo pripraviti delovno mesto, orodja in naprave; se učijo dela v skupini, komuniciranja s sodelavci in nadrejenimi (Katalog znanja, modul Robotika, 2010). 12

14 Za tiste, ki nameravajo svojo srednjo poklicno izobrazbo nadgraditi s srednjo strokovno, pa bo zanimiv program poklicno tehniškega izobraževanja Tehnik mehatronike PTI. S pripravo tega je Center RS za poklicno izobraževanje CPI že začel in bo predvidoma dokončno pripravljen prihodnje leto. Ta program bo dijakom znanja iz robotike podajal v vsebinskem sklopu Mehatronika (Center RS za poklicno izobraževanje, 2017). Dijakom, na zgoraj omenjenih programih, je namenjeno učno gradivo Robotika (Slika 2), ki je prosto dostopno na svetovnem spletu (Glamnik, Veber, 2012). Slika 2: Uvodna stran učnega gradiva Robotika. (Vir: UNUS2_116MHTRobotikaAVR.pdf.) Omenjeno gradivo služi kot učbenik, ki ga dijaki uporabljajo pri modulih Mehatronika, Robotika ter Avtomatizacija in robotika. V gradivu je zapisana zgodovina robotike, opisane so vrste robotov, sestavni deli robota, podana je razlaga delovanja robota ter učne situacije za izvedbo laboratorijskih vaj. Kot učbenik pa bi lahko dijaki uporabljali tudi knjigo Andreja Koložvara: Mali roboti (2012). V knjigi so zbrane vsebine iz različnih področij robotike. Avtor najprej predstavi, kaj roboti sploh so, kako so sestavljeni, kateri so osnovni tipi robotskih rok 13

15 ter kako robota programirati. V knjigi najdemo tudi poglavje o spajanju materialov za tiste, ki se odločijo izdelati robota, pa nimajo na voljo konstrukcijskih zbirk. V knjigi so predstavljene tudi tri projektne naloge, in sicer izdelava samohodnega robota, napisati program za robota iz pravljice in ga sestaviti ter programirati robota, ki se bo gibal po labirintu. Obe zgoraj omenjeni gradivi sta uporabni tako za dodatno razlago in učenje učencev v osnovni šoli kot tudi za pomoč učiteljem, ki poučujejo Robotiko v tehniki v osnovni šoli Robotika na fakultetah Študenti si lahko znanje robotike pridobijo na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru (v nadaljevanju FERI UM), na Fakulteti za strojništvo v Mariboru (v nadaljevanju FS UM), na Fakulteti za naravoslovje in matematiko v Mariboru (v nadaljevanju FNM UM), na Pedagoški fakulteti v Ljubljani (v nadaljevanju PeF UL), na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani (v nadaljevanju FE UL), na Fakulteti za računalništvo in informatiko v Ljubljani (v nadaljevanju FRI UL) in na Univerzi v Novi Gorici. Na FERI UM si znanje robotike študenti pridobivajo: v višješolskem programu Mehatronika, v okviru predmetov Robotski sistemi, Računalniško podprte tehnologije in praktičnega usposabljanja Robotika; v višješolskem programu Elektrotehnika ali v univerzitetnem študijskem programu Elektrotehnika, v drugem in tretjem letniku, kjer si lahko izberejo smer Avtomatika in robotika; v tretjem letniku univerzitetnega študijskega programa Mehatronika, pri obveznem predmetu Robotizacija in pri izbirnem predmetu Osnove robotike; v prvem letniku magistrskega študijskega programa Mehatronika pri predmetu Robotski sistemi; 14

16 v drugem letniku magistrskega študijskega programa Elektrotehnika pri predmetu Robotski sistemi. S področja mobilne robotike Inštitut za avtomatiko in robotiko na Univerzi v Mariboru (FERI) vsako leto razpiše tudi tekmovanje ROBObum in LEGObum za osnovno- ter srednješolce. Na tekmovanju se uporabljajo predvsem roboti konstrukcijske zbirke Lego Mindstorms. Študenti pa se pomerijo v tako imenovani Robo ligi in RoboT. Na ta način želijo motivirati študente na fakulteti za razvojno-raziskovalno delo na področju robotike. Na FS UM se študenti z robotiko srečajo: v višješolskem programu Mehatronika, kjer si lahko v 3. letniku izberejo predmet Industrijska robotika ali Robotika I oz. imajo obvezni predmet Robotika II; v 3. letniku univerzitetnega programa Mehatronika in Strojništvo smer Proizvodnje tehnologije in sistemi, kjer si lahko izberejo izbirni predmet Robotizacija; v podiplomskem magistrskem programu Strojništvo, v 2. letniku smer Konstrukterstvo si lahko študenti izberejo izbirni predmet Roboti in robotizacija; v podiplomskem magistrskem programu Mehatronika pa se študenti z robotiko srečajo v 1. letniku pri predmetu Robotski sistemi in v 2. letniku pri izbirnem predmetu Nanorobotika. Na FNM UM se v okviru dodiplomskega študijskega programa Predmetni učitelj, smeri Izobraževalna tehnika in Izobraževalno računalništva, ter v okviru podiplomskega študijskega programa Izobraževalna tehnika, študentje izobražujejo o robotiki pri predmetu Robotika v tehniki. Na PeF UL študenti tehnike na prvi stopnji v okviru robotike nadgradijo svoje znanje s področja tehnike in računalništva ter izdelajo preprost model računalniško krmiljenega robota. 15

17 Na FE UL si študenti znanje o robotiki pridobijo v tretjem letniku 1. stopnje smeri Elektrotehnika pri predmetu Osnove robotike in na 2. stopnji lahko izberejo podiplomski magistrski študij Robotika ali Mehatronika. FE v Ljubljani je tudi trenutno edina fakulteta v Sloveniji, ki na 2. stopnji ponuja študij Robotike. Za študiju Robotike in z robotiko povezanih predmetov imajo študenti na voljo kar nekaj učbenikov, nekaj jih lahko vidimo na sliki (Slika 3). Učbeniki so namenjeni vsem, ki se kakorkoli ukvarjajo z robotiko, vendar so najbolj primerni za fakultete. Slika 3: Naslovnice knjig o robotiki. (Vir: Študenti sodelujejo v raziskovalnih in razvojnih projektih, ki jih financirajo slovenska in tuja podjetja, sodelujejo pa tudi v mednarodnih raziskavah in projektih, ki jih financira evropska unija. Na FRI UL študenti tekom študija pri več predmetih pridobijo znanje robotike in programiranja robotov. Med izbirnimi predmeti si lahko izberejo tudi izbirni predmet Robotika in računalniško zaznavanje. Na fakulteti izvajajo razne tečaje robotike, kot je npr. tečaj Spoznavanje programiranja in robotike z Lego Mindstorms. Prav tako pa organizirajo robotsko tekmovanje RoboLiga. 16

18 Na Univerzi v Novi Gorici je študentom na voljo dodiplomski študijski program prve stopnje Gospodarski inženiring, ki ponuja dva predmeta, kjer se študenti srečajo z robotiko. To sta Avtomatika vodenja sistemov in Robotika. 2.2 Metode poučevanja in razvoj kompetenc Ker nam življenje vsak dan znova postavlja najrazličnejše probleme, je prav, da se učenci že v osnovni šoli soočijo z reševanjem teh. Z novimi problemi pa se lahko soočijo le ustvarjalni, kritično misleči in samostojni ljudje. V sodobni šoli naj bi učni procesi, sproženi in vodeni pri pouku in zunaj njega, omogočali učencem razvoj ustvarjalnega in kritičnega mišljenja. Tako je treba težišče pouka prenesti na učence same, na njihove izkušnje, na njihovo pestro, čim bolj samostojno in zavestno iskanje novih spoznanj, da bi na ta način kar najbolj aktivirali svoje spoznavne procese, metodične in metodološke izkušnje (Strmčnik, 1992). Boris Aberšek je v knjigi Didaktika tehniškega izobraževanja med teorijo in prakso zapisal:»vsak učenec si svoje znanje ustvarja sam, pri čemer so drugi, ki sodelujejo pri tem (denimo učitelji), lahko le bolj ali manj uspešni spodbujevalci in usmerjevalci učnega procesa.«(aberšek, 2012) Tem namenom pa ustrezata problemski pouk oziroma reševanje problemov in projektni pouk. Obe metodi poučevanja temeljita na principih konstruktivizma, sta v učenca usmerjen učni proces, kjer si učenec znanje ustvarja sam in se pri tem več in trajnejše nauči. Pri takem pouku se učenci aktivno spoprijemajo s problemskimi učnimi vsebinami, si bogatijo izkušnje, samostojno iščejo rešitvene zamisli in se seznanjajo z reševalnimi metodami in postopki. 17

19 2.2.1 Problemski pouk Pri poimenovanju problemskega pouka prihaja do zmede, saj ga različni avtorji različno poimenujejo. Tako lahko zasledimo, da ga nekateri imenujejo problemski pouk, učenje z reševanjem problemov, reševanje z odkrivanjem, pa tudi raziskovalno učenje. Za problemski pouk je značilno, da je njegova podlaga katerakoli problemska situacija, ki učencem ni razvidna na prvi pogled in še manj rešljiva le z obstoječim predznanjem (Strmčnik, 1992). Pojem problem, ki je grškega izvora pomeni nalogo, sporno vprašanje oziroma nerešeno ali težko rešljivo vprašanje (Gerlič, 2006). Metoda problemskega pouka je primerna za usvajanje in ustvarjanje novega znanja. Pri tej metodi problem ni samo vsebina, ampak tudi pot, po kateri pridemo do rešitve. Učenci za razrešitev problema poleg obstoječega znanja potrebujejo novo znanje (Aberšek, 2012). Pri samostojnem reševanju problemov se razvijajo temeljne karakteristike ustvarjalnega mišljenja in ravnanja, inovativnost, vedoželjnost, kritično mišljenje in prenašanje znanja in sposobnosti na nove situacije, kombiniranje prejšnjih in novih izkušenj. Problemski pouk ima pomembno psihološko motivacijsko moč. Učenec more problemsko situacijo ne le racionalno dojeti, ampak tudi doživeti, si jo zaželeti, da bi se lahko sprožilo njegovo mišljenje in ravnanje, ne le kot prisilna navada, ampak kot prostovoljna in svobodna potreba. Da bi se učenci razumsko in čustveno identificirali s problemsko situacijo, morajo biti dani vsaj trije pogoji: da je neka situacija za učenca zares problemska, da je težavnostno prilagojena njegovim učnim zmožnostim in da je zanj smiselna (Strmčnik, 1992). Problemske naloge, ki jih učitelj postavi učencem, morajo biti prirejene njihovi razvojni stopnji in njihovemu predznanju. Ne smejo biti pretežke, pa tudi ne prelahke. V nasprotnem primeru se lahko zgodi, da problem ostane nerešen ali pa reševanje pripelje do napačnega rezultata. Učenci se pri reševanju problema opirajo na pretekle izkušnje in že osvojeno znanje. Problem pa si lahko zastavijo tudi učenci sami in nato iščejo rešitve po že znanem postopku in pri tem osvojijo nova znanja. Dobra problemska naloga spodbudi razmišljanje, vzbudi radovednost, aktivira predznanje in zagotavlja samostojno učenje. 18

20 Delo pri reševanju problemov navadno poteka v skupinah. Učitelj spremlja delo učencev in jih pri tem spodbuja, usmerja ter jim ponudi pomoč, kadar jo potrebujejo. Pri tem pa mora paziti, da jim ne pomaga preveč, kajti cilj problemskega pouka je tudi samostojno delo učencev (Kržičnik, 2009). Obstaja več različnih modelov, ki nakazujejo zaporedje postopkov in dejavnosti reševanja problemov oziroma potek problemskega pouka. Tako naj bi po Aberšku problemski pouk potekal postopno v sedmih korakih: zaznavanje problema, določanje problema, analiziranje problema, ugotavljanje potrebnih predznanj, usvajanje potrebnih predznanj, uporaba usvojenih znanj ter evalvacija in vrednotenje rezultatov. Problemski pouk je v učenca usmerjen učni proces, kjer je pomembno tudi, da učenec prevzame odgovornost do svojega dela in do dela v skupini. Tako se pri problemskem pouku razvijajo tudi: spoštovanje do drugih članov v skupini (izmenjava informacij, poslušanje, komentiranje informacij, spreminjanje svojega mnenja); spretnost komuniciranja (jasno in razumljivo predstavljene informacije) ter spoštovanje pravil (držimo se dogovorov, pravočasno zaprosimo za dodatna navodila) (Aberšek, 2012). Najvišja stopnja problemskega učenja se kaže v samostojni ustvarjalni problemski dejavnosti učencev, ko v večji meri sami odkrivajo, identificirajo, artikulirajo in rešujejo probleme (Strmčnik, 1992) Projektni pouk Pri projektnem pouku si učenci s samostojnim raziskovanjem, ki temelji na življenjski situaciji, pridobivajo nova znanja. Tako kot pri problemskem pouku kot tudi pri projektnem pouku v različnih literaturah naletimo na različno poimenovanje tega. Tako ga nekateri avtorji poimenujejo projektno delo (Aberšek, 2012), projektno učno delo (Ferk Savec, 2010) ali kar projektno učenje. 19

21 Projektni pouk ima veliko skupnega s prej opisanim problemskim poukom, kar prikazuje slika 4, razlika pa je v končnem rezultatu. Problemski pouk se zaključi z razrešitvijo problema, pri projektnem pouku pa je potrebna še realizacija projekta. Po končanem delu sledi še predstavitev dosežkov in učenčeva evalvacija dela. Projekt lahko definiramo kot sklop dobro načrtovanih aktivnosti, ki so izvedene v določenem času, z omejenimi sredstvi z določenimi cilji in nameni. Učitelj med projektom učence spodbuja in usmerja, učenci pa se samostojno učijo, tako jim omogočimo učenje z lastnimi izkušnjami. Slika 4: Primerjava med problemskim in projektnim poukom. (Vir: Aberšek 2012, str. 174.) Pri projektnem pouku je včasih treba pridobiti in uporabiti tudi znanje in veščine, ki niso opredeljeni v učnih načrtih. Pri tem pa učenci razvijajo svojo inovativnost. Še posebej spodbudno za učence je, da se projekta lotimo v obliki problemske naloge ali pa za problem zastavimo izdelavo konkretnega izdelka (Ferk Savec, 2010). 20

22 Projekti, ki jih rešujejo učenci pri pouku, morajo biti rešljivi, učence morajo aktivirati, jim predstavljati izziv in jih spodbujati k učenju (Aberšek, 2012). Pri izboru nalog, ki naj jih učenci rešujejo v okviru projektnega pouka, se morajo učitelji nasloniti na merili, kot sta: življenjskost nalog (rešitev naloge se mora zdeti učencu pomembna) in kompleksnost nalog (povezati znanje več področij, poiskati različne vire informacij)(aberšek, 2012). Projekti, ki jih uporabljamo pri pouku, morajo biti zasnovani tako, da ustrezajo predznanju učencev, da jih lahko učenci rešijo sami, vendar le pod pogojem, da k svojemu obstoječemu znanju in spretnostim dodajo nekaj novega znanja in spretnosti. Pri tem mora učitelj, ki načrtuje projektni pouk, paziti, da neskladje med obstoječim in za rešitev projektne naloge potrebnim znanjem ni preveliko. Učenci naj se v okviru projekta učijo v pogojih, ki so zelo podobni, kot jih bodo srečevali kasneje v konkretnem (tudi v zasebnem in poklicnem) življenju. Tako zasnovan projektni pouk zagotavlja povezanost med pridobljenim znanjem in spretnostmi ter sposobnostmi (izdelati kaj) (Aberšek, 2012). Projektni pouk je sestavljen iz več stopenj, ki si sledijo v smiselnem zaporedju. Te se pri različnih avtorjih razlikujejo po poimenovanju in natančnosti opredelitve posamezne stopnje, ne pa tudi v vsebini oz. funkciji posamezne stopnje. Tako je Aberšek v svojem delu Didaktika tehniškega izobraževanja med teorijo in prakso, navedel šest stopenj projektnega pouka (Aberšek, 2012): 1. Najti projektno idejo Pri iskanju idej izhajamo iz vsakdanjega življenja, dogodkov in problemov. Pri tem sodelujejo tudi učenci. Večini teh mora biti izvedba projekta zanimiva in vredna truda. V tem delu je dobro tudi razmisliti o pogojih, ki so potrebni za izvedbo. 2. Določiti projektno nalogo To je tudi faza projektnega načrtovanja, iskanja rešitev, njihove prednosti in slabosti, se pogovarjamo in utemeljujemo svoj predlog. Učitelj spodbudi učence, da ponudijo čim boljši predlog nevihta idej (brain storming). V tej fazi je treba tudi določiti, ali bodo vsi učenci sodelovali v projektu, ali se 21

23 bodo razdelili v skupine, v koliko skupin, koliko jih bo v skupini ali pa bodo naloge reševali posamezno. Pri načrtovanju naj bodo zaposleni vsi učenci. Učitelj naj ima pri oblikovanju skupin v mislih, ali imajo nastale skupine realne možnosti, da nalogo izvedejo. 3. Analizirati projektno nalogo in pogoje za njeno izvedbo Pri analizi projektne naloge pridobimo ključne informacije o rešitvah delnih nalog projekta, pravočasno prepoznamo in predvidimo težave, ki bi utegnile nastopiti pri izvedbi projekta in določimo časovne okvire za delne naloge ter projekt kot celoto. 4. Načrtovati postopek reševanja naloge Glede na informacije, ki so jih pridobili pri analizi projektne naloge, učenci pod vodstvom učitelja načrtujejo projekt. Med seboj si razdelijo naloge. 5. Izvedba projekta vključno s kontrolo Učenci in učitelj izvajajo svoj načrt, ki so ga pripravili v prejšnjih fazah. Vsakdo se loti svoje naloge, uresničuje svoje zamisli in skrbi, da svoje delo opravi čim bolje. Projektni pouk lahko doseže svoje cilje le, če učenci razumejo projektno nalogo in njene cilje in če razumejo, zakaj je potrebno ravnati tako, kot je predvideno v načrtu poteka projekta. 6. Poročilo o poteku projekta in predstavitev rezultatov Projekt se konča s končnim izdelkom, poročilom in predstavitvijo. Učenci poročajo, kaj so počeli, se naučili in katere izkušnje so si pridobili. Projektni pouk lahko poteka individualno, v dvojicah ali kot skupinsko delo. Ta lahko poteka v presledkih ali nepretrgoma več šolskih ali običajnih ur. Lahko nepretrgoma ali v presledkih traja tudi več dni, tednov ali celo mesecev. Glede na število udeležencev in trajanje obstajajo različno veliki projekti. Projektni pouk je lahko različno organiziran: Več skupin rešuje enako nalogo, v enakih pogojih. Skupine lahko pridejo do različnih rezultatov in različnih rešitev nalog, kar lahko vodi v kasnejši pogovor o prednostih in slabostih posameznih rešitev. 22

24 Skupine rešujejo različne naloge, ki so del istega projekta. Vsaka skupina začne s svojo nalogo in pripravi svoj prispevek za rešitev projektne naloge nato tega predstavi drugim skupinam. Skupaj se odločijo, katero rešitev bodo uporabili, da bodo kar najbolje dosegli končni cilj projekta. Del projekta izvajajo skupine skupaj, del vsaka zase in na koncu ponovno delajo skupaj. Po tem, ko učitelj predstavi cilj projektne naloge, si učenci sami pridobijo informacije in poiščejo vire potrebnega znanja. Učenci se dogovorijo in razdelijo v skupine, ki se zadolžijo za posamezne naloge. Po opravljenih nalogah si učenci med seboj predstavijo, kaj so počeli in do kakšnih rezultatov so prišli. Hkrati delajo skupaj, vendar rešujejo različne projekte. Takšni projekti so podobno težki in imajo iste cilje. Vsaka skupina rešuje svojo nalogo, sledi frontalna predstavitev naloge, potek dela in rezultatov. V vseh primerih je pomembno, da učitelj pravočasno opazi, če ima katera izmed skupin težavo, da pravočasno pristopi in skupaj ugotovijo, kje se je zalomilo in kaj ter kako naj težavo rešijo. Projektna naloga mora biti izbrana tako, da bo učencem zanimiva, jih motivira, so pri reševanju naloge aktivni in ustvarjalni. Ključnega pomena za doseganje ciljev projektnega pouka pa je analiza dela. Vsaka uspešna rešitev mora biti podkrepljena z učiteljevo povratno informacijo, ki naj bo pozitivna. Ob morebitnem neuspehu pa je pomembno, da učitelj skupaj z učenci ugotovi, kje se je zalomilo. Le tako se lahko učenci naučijo uspešnega reševanja problemov in čemu se izogniti, da se enake napake v prihodnjih projektih ne bodo ponovile Kompetence, ki jih spodbuja pouk Robotike v tehniki Za dvig kakovosti znanja in iz njega izhajajočega dviga kakovosti življenja se je pozornost usmerila na razvoj kompetenc (Špernjak, Šorgo, 2009). Kompetence so opredeljene kot kombinacija znanja, spretnosti in odnosov, ustrezajočih okoliščin. Referenčni okvir Evropskega parlamenta (Uradni list EU št. 394/10, 2006) določa osem ključnih kompetenc: 23

25 1. sporazumevanje v materinem jeziku; 2. sporazumevanje v tujih jezikih; 3. matematična kompetenca ter osnovne kompetence v naravoslovju (znanosti) in tehnologiji; 4. digitalna pismenost; 5. učenje učenja; 6. socialne in državljanske kompetence; 7. samoiniciativnost in podjetnost ter 8. kulturna zavest in izražanje. Te kompetence naj bi bile minimum, ki naj bi vsakemu posamezniku omogočile osebno izpolnitev, dejavno državljanstvo in zaposljivost (Šorgo, 2011). Vse ključne kompetence pa naj bi bile enako pomembne, saj se med seboj prekrivajo, dopolnjujejo in povezujejo, vendar jih v šolski praksi ne moremo v enaki meri razvijati pri vseh predmetih. Tako pri posameznih predmetih razvijamo posebne predmetno specifične kompetence (Špernjak, Šorgo, 2009). Pri pouku izbirnega predmeta Robotika v tehniki razvijamo naslednje kompetence: pravilna uporaba materinega jezika pri sporazumevanju na tehniškem in naravoslovnem področju; sporazumevanje v tujem jeziku (uporaba tuje literature, uporaba računalniških programov); učenje učenja (samostojno učenje, razvijanje delovnih navad, načrtovanje lastnih aktivnosti, odgovornost za lastno znanje, samoocenjevanje lastnega znanja); samoiniciativnost in podjetnost (razvijanje ustvarjalnosti, dajanje pobud, sprejemanje odločitev); razvijanje osebnostnih kvalitet (socialnost, skupinsko delo, obvladovanje čustev, razvijanje samozavesti); uporaba znanja matematike, fizike ter poznavanje osnovnih pojmov in procesov ter razumevanje delovanja znanosti in tehnologij; razvoj digitalne pismenosti, ki vključuje uporabo računalnikov ter učinkovito in kritično uporabo elektronskih medijev pri reševanju tehničnih problemov; 24

26 pridobivanje in uporaba strokovne literature; zbiranje, preverjanje in urejanje podatkov; sistematično reševanje tehničnih problemov na predvideni zahtevnostni stopnji; pregledno podajanje in kritično ocenjevanje rezultatov. Pri razvoju zgoraj omenjenih kompetenc pri pouku Robotika v tehniki pa pripomore ustrezno izbrana metoda poučevanja in spodbujanje učencev s strani učitelja Splošni cilji predmeta Robotika v tehniki Učne cilje vsakega šolskega predmeta določa učni načrt, ki ga sprejme in potrdi strokovni svet za splošno izobraževanje. V učnem načrtu za izbirni predmet Robotika v tehniki so opredeljeni naslednji cilji (Učni načrt za izbirni predmet Robotika v tehniki, 2002): učenci spoznajo različne oblike uporabe računalniške tehnologije; spoznavajo osnovne pojme robotike in računalniško vodene proizvodnje; berejo, rišejo in sestavljajo sheme električnih krmilij in razumejo njihovo delovanje, načrtujejo in s sestavljankami izdelajo različno računalniško krmiljene modele; uporabljajo računalnik in spoznavajo njegovo vlogo pri krmiljenju zgrajenih modelov; razvijajo sposobnost prostorske predstavljivosti; poznajo vlogo računalniškega vmesnika pri krmiljenju strojev in naprav; naštejejo in opišejo področja z računalniško vodeno tehnologijo in kritično presojajo vpliv tega področja na tehnologijo in okolje; pridobivajo in uporabijo informacije in znanje s področja robotike iz monografij, periodičnega tiska in interneta; 25

27 z uporabo projektnega in eksperimentalnega dela ter konstruiranja usvojijo temeljne metode in oblike dela, značilne za tehnično-tehnološko področje; razvijajo sposobnost za delo v skupini; razvijajo psihomotorične sposobnosti; pridobivajo sposobnost samostojnega reševanja problemov; spoznavajo poklice s področja elektronike, elektrotehnike, računalništva... in sposobnosti, ki jih potrebujejo zanje. Poleg splošnih ciljev pa so v učnem načrtu zapisani tudi operativni cilji predmeta in dejavnosti, ki naj bi pripeljale do doseganja teh ciljev (Priloga 1). Pri načrtovanju pouka pa seveda oblikujemo še konkretnejše učne cilje, ki so odvisni tudi od učnih vsebin ter zmožnosti in interesov učencev. Kajti učenci so tisti, ki usvajajo učne cilje, kadar so aktivni, učitelji pa s svojimi aktivnostmi le sprožajo in vodijo učenje. Učenci tako pri izbirnem predmetu Robotika v tehniki spoznavajo in povezujejo vsebine različnih področij, v katerih ima robotika pomembno vlogo. Ti se seznanijo s temeljnimi načeli računalniško vodene proizvodnje ter z mestom robotike v njej. Pri pridobivanju praktičnih izkušenj pa si pomagajo z uporabo didaktičnih sestavljank (kot sta konstrukcijski zbirki Fischertechnik in Lego Mindstorms), s katerimi gradijo različne računalniško krmiljene modele strojev, naprav in robotskih rok (Učni načrt za izbirni predmet Robotika v tehniki, 2002). Ustrezna učna metoda predstavlja sredstvo za doseganje učnih ciljev. Zlasti za doseganje višjih učnih ciljev izberemo metode, ki omogočajo in spodbujajo miselno aktivnost ter samostojnost učencev. Med takšne metode pa spadata problemski in projektni pouk. Večina didaktikov meni, da je reševanje problemskih nalog najvišja oblika učenja (Strmčnik 1992). 26

28 Projektni in problemski pouk spodbujata učenje na višjih kognitivnih stopnjah, usmerjena sta v vsakdanje življenje in s tem zagotavljata globlje razumevanje. 2.3 Konstrukcijski zbirki Lego Mindstorms in Fischertechnik Za poučevanje robotike sta najbolj razširjeni konstrukcijski zbirki Lego Mindstorms in Fischertechnik. Obe zbirki omogočata modularnost, ponovno uporabo gradnikov in sta cenovno dostopni. Konstrukcijsko zbirko Fiscertechnik pa lahko nadgradimo z uporabo krmilnikov, kot je npr. Arduino ali pa z vmesnikom eprodas Rob1. Pri izbiri učne zbirke ima učitelj proste roke. Upoštevati mora le učne cilje, ki jih namerava s pomočjo izbrane konstrukcijske zbirke izpolniti. Nikakor pa ne sme biti obratno, da bi bili učni cilji podrejeni uporabljeni konstrukcijski zbirki Fischertechnik Profi E-Tech Konstrukcijska zbirka Fischertechnik ponuja različne konstrukcijske komplete. V nadaljevanju je opisan komplet Fischertechnik Profi E-Tech (Slika 5). Komplet vsebuje sestavne gradnike, elektromotorje, lučke, različne senzorje in modul E- Tech, ki vsebuje 8 različnih programov za krmiljenje. Krmilnik ima tri vhode za digitalne senzorje in izhod za motor ali dve žarnici. Slika 5: Fischertechnik Profi E-Tech. (Vir: 27

29 Z omenjenim kompletom lahko sestavljamo modele, ki realistično prikazujejo delovanje pravih strojev, naprav in robotov. Prednost te zbirke je, da nam uporaba osnovnih gradnikov omogoča lažje razumevanje delovanja senzorjev, lahko pa jo dokaj enostavno nadgradimo tudi s splošnimi elektronskimi gradniki, kot so upori, diode, termistorji, potenciometri. Takšen primer je lahko vmesnik eprodas-rob1 (Slika 6) ali pa krmilnik Arduino (Slika 7). Slika 6: Vmesnik eprodas-rob1. (Vir: Vmesnik eprodas-rob1 V primerjavi s krmilnikom E-Tech, ki ga vsebuje konstrukcijska zbirka Fischertechnik Profi E-Tech, ponuja vmesnik eprodas-rob1 več možnosti za izbiro vhodnih in izhodnih komponent in programske opreme. Nanj lahko priključimo različne motorje (DC motorje, servo motorje, koračne motorje), različne senzorje (svetlobne, zvočne in druge), luči, grelce, LCD enote in druge module. Vmesnik je pripravljen za delo z računalnikom, bodisi v stalni povezavi z njim ali pa brez nje. Zasnovan je tako, da lahko nanj prenesemo program, ki smo ga napisali na računalniku, nato pa lahko povezavo odklopimo in vmesnik deluje samostojno. Vmesnik lahko programiramo v različnih okoljih: MS Visual Basic, Delphi, Bascom, LabView. Več o vmesniku si lahko preberemo v e-učbeniku za izbirni predmet Robotika v tehniki ( ter v diplomskem delu Urške Trošt: Uporaba sestavljank Fischertechnik in vmesnika eprodas-rob1 pri pouku Tehnike in tehnologije ( Diplomsko delo vsebuje tudi 28

30 projektne naloge, pri katerih se vmesnik uporablja in so primerne za izbirni predmet Robotika v tehniki. Krmilnik Arduino Arduino je krmilnik (Slika 7), ki lahko deluje povsem samostojno brez povezave z računalnikom, ko nanj naložimo program. Za nalaganje programske opreme krmilnik priključimo na računalnik preko USB vrat. Preko USB vrat se krmilnik tudi napaja. Na krmilnik lahko priključimo različne servo motorje, senzorje (za merjenje temperature, vlage, razdalj), releje za krmiljenje naprav, ekrane in še najrazličnejše dodatke (Bluetooth modul, Wifi modul...). Na voljo je več različnih izvedb krmilnika, ki se med seboj razlikujejo po velikosti in moči (Arduino Uno Leonardo, Mega 2560, LilyPad...) ter po številu podprtih vhodov in izhodov (Slika 7). Slika 7: Krmilnik Arduino Uno. (Vir: Tako Arduino Uno podpira 14 pinov, za katere lahko za vsakega posebej določimo, ali bo predstavljal digitalni vhod ali izhod ter še 6 analognih vhodov, na katere lahko priključimo analogne senzorje. Arduino Mega 2560 pa podpira kar 54 digitalnih vhodno-izhodnih pinov ter še 16 analognih vhodnih pinov. Arduino ima odprtokodno programsko opremo, ki omogoča programiranje, nalaganje programa na krmilnik in 29

31 testiranje programa. Za programiranje vmesnika uporabljamo Arduino programsko okolje, ki ga lahko dobimo na spletni strani ( Vse Arduino komponente imajo nožice, ki omogočajo medsebojno povezljivost Lego Mindstorms NXT Poznamo več različnih Lego Mindstorms kompletov. V slovenskih šolah je največ kompletov Lego Mindstorms NXT (Slika 8) (Rihtaršič, 2017). Slika 8: Lego Mindstorms NXT. (Vir: Najpomembnejši del kompleta je inteligentna računalniško krmiljena kocka NXT. Z osebnim računalnikom jo lahko povežemo prek USB-ja ali Bluetooth-a. Ima štiri vhodne priključke za senzorje in tri izhodne priključke za motorje (Slika 9). Komplet poleg osnovnih gradnikov za sestavljanje torej vsebuje še: štiri različne senzorje: - svetlobni senzor, ki prepozna različne odtenke sivine, ne more pa prepoznati različnih barv in se uporabljati za merjenje jakosti svetlobe; - ultrazvočni senzor, ki meri razdaljo do 255 cm z natančnostjo 1 cm; - senzor dotika, ki razlikuje med pritiskom, sprostitvijo in sunkom sile ter daje možnost zaznavanja stika s predmetom; 30

32 - zvočni senzor, ki zaznava različne frekvence; tri servo motorje, ki jim lahko določimo vrtenje na 1 natančno, kar omogoča krmiljenje zasuka in hitrosti vrtenja osi motorja. Slika 9: Lego Mindstorms NXT s senzorji in motorji. (Vir: Kompletu je priložena tudi zgoščenka s programom NXT-G. Gre za grafično programsko okolje, kar pomeni, da se program»piše«z vlečenjem programskih gradnikov iz palete v glavno okno. Tam jih postavimo na virtualno LEGO letev z luknjami, ki ponazarja potek programa. Program je priročen za uporabo, dobro se obnese pri branju tipal in programiranju motorjev. Slabost grafičnega programiranja pa se pokaže pri pisanju krmilnih zank. Takrat pa je treba poseči po drugih programskih jezikih, kot so Bricx, Java in C, kjer pa je treba poznati nekaj osnov programiranja Lego Mindstorms EV3 Lego Mindstorms EV3 (Slika 10) je najnovejša različica konstrukcijske zbirke Lego Mindstorms. Od predhodnih kompletov se razlikuje v strojni nadgradnji osrednje krmilne enote EV3, ima dva večja motorja, srednji motor, dva senzorja dotika, senzor barv, infrardeči senzor in žiroskop. Na osrednjo krmilno enoto EV3 lahko priključimo štiri pogonske motorje, medtem ko smo lahko na predhodno krmilno enoto NXT priključili le tri. Velika motorja, ki se uporabljata kot pogonska motorja, imata vgrajen senzor obratov, ki služi za natančno 31

33 krmiljenje motorja. Srednji motor je manjši in lažji od velikih motorjev in dosega večjo hitrost vrtenja. Slika 10: Lego Mindstorms EV3. (Vir: Namesto svetlobnega senzorja vsebuje novejša različica senzor barv (Slika 11), ki lahko prepozna barvni odtenek (sedem barv: črno, modro, zeleno, rumeno, rdeče, belo in rjavo ter brezbarvno stanje) in jakost svetlobe. Slika 11: Senzor barv. (Vir: Povsem nov je infrardeči senzor (Slika 12), ki zaznava infrardečo svetlobo, katera se odbije od predmetov v okolici. Deluje lahko na dva načina: 32

34 način bližina, v katerem zaznava predmete, ki so oddaljeni največ 70 cm; senzor s pomočjo vgrajene infrardeče LED diode oddaja svetlobo, ki se nato odbija od objekta in pod določenim kotom zadene svetlobno občutljiv detektor CCD in izračuna razdaljo med predmetom ter senzorjem; način usmerjevalnik, kjer senzor zazna infrardeč signal, ki ga oddaja infrardeči oddajnik; ko senzor zazna signal, lahko oceni usmerjenost in razdaljo oddajnika na oddaljenosti okoli 200 cm (EV3 User Guide). Slika 12: Infrardeči senzor bližine. (Vir: Povsem nov je tudi žiroskop (Slika 13). Ta senzor uporabljamo, kadar je v konstrukciji robota treba doseči dinamično uravnoteženost. Deluje v treh načinih: meritev spremembe smeri gibanja (kotnega pospeška), kjer senzor izmeri kotno hitrost glede na premočrtno gibanje; največja vrednost, ki jo lahko izmeri je okoli 400 stopinj na sekundo; meritev smeri gibanja, kjer senzor deluje na enak način kot kompas; izmerjena vrednost, ki je lahko med 0 in 359 stopinj, je izmerjena glede na začetno pozicijo, ki ima vrednost 0; sočasna meritev zgornjih dveh meritev (EV3 User Guide). 33

35 Slika 13: Žiroskop. ( V nadaljevanju magistrskega dela bo podanih nekaj primerov, in sicer: kako; v kakšni meri in za doseganje katerih učnih ciljev uporabljamo katero konstrukcijsko zbirko. 34

36 3 ZBIRKA VAJ ZA POUK ROBOTIKE V TEHNIKI V OSNOVNI ŠOLI Vaje, ki si sledijo v nadaljevanju, so izbrane za doseganje nekaterih splošnih in operativnih ciljev, ki so zapisani v učnem načrtu za izbirni predmet Robotika v tehniki (Priloga1). Učitelj naj pri načrtovanju dela upošteva, da naj učenci največ časa porabijo za lastne zamisli in ideje, da s tem razvijajo svoje sposobnosti, mišljenje in kreativnost. Vaje so podane tako, da po zahtevnosti izvedbe smiselno sledijo učnemu načrtu. Zahtevnost izvedbe oz. težavnostna stopnja vaje je označena z zvezdicami, od ene do pet zvezdic, pri čemer ena zvezdica označuje lahko vajo, pet zvezdic pa težko. Zap. Naslov vaje št. vaje 1 Narišimo robota 2 Uvod v robotiko 3 Elektromotor 4 Dvigalo 5 Vožnja naravnost 6 Slalom robota 7 Raziskovalec 8 Sledenje črni črti 9 Semafor 10 Senzorji robota in digitalni vhod 11 Senzorji robota in analogni vhod 12 Vožnja skozi labirint 13 Oblikovanje robotske roke 14 Robotska roka Težavnostna stopnja 35

37 3.1 Narišimo robota Opis vaje Vaja je primerna za popestritev uvodne ure, kjer učenci spoznavajo temeljne značilnosti računalniško krmiljenih strojev in naprav. Vsaka ekipa (par) mora izdelati repliko dane risbe. Vsak član v ekipi ima posebno vlogo, kljub temu pa morata sodelovati, se poslušati, da ustvarita končni izdelek. Ta bo odvisen od sposobnosti učinkovitega komuniciranja med članoma ekipe. Težavnostna stopnja Čas izvedbe: 20 min Učni cilji: učenci spoznajo temeljne značilnosti računalniško krmiljenih strojev in naprav. Pripomočki: svinčnik; prazen list papirja; primer risbe, katere repliko želimo narediti (Priloga 2). Izvedba vaje Učence razdelimo v pare. V vsakem paru/ekipi določimo vodjo in risarja. Risar dobi prazen list papirja in svinčnik. Učenca, ki sta v ekipi, se usedeta tako, da se dotikata s hrbti, tako da nihče ne vidi pred drugega. Vodja ekipe dobi primer risbe, katere repliko želimo narediti. Pojasnimo mu, da mora risar narisati to risbo samo po njegovih navodilih, torej v nobenem primeru ne sme videti, kaj mora narisati. Risar mora risati po navodilih, ki jih dobi, in ne sme postavljati vprašanj. Za izvedbo naloge ima ekipa dve minuti. Potem primerjajo risbe. Nato učenca v ekipi 36

38 zamenjata vloge in vajo ponovita. Seveda morata zdaj izdelati repliko druge risbe. Sledi razprava o tej nalogi. Učitelj se z učenci pogovori: kaj je bilo v tej nalogi težko; kaj bi jim lahko delo olajšalo; kako so se počutili, ko so prvič izvajali vajo, ali so dobili dobra navodila za risanje; kaj bi pri zamenjavi vloge želeli storiti drugače, da bi bila ekipa uspešnejša? Kar je za nas smiselno, včasih za druge ni. Učenci si naj zamislijo, da so v nalogi risali kot bi risali roboti, ki ne vedo, kaj je majhno in kaj je veliko. Učenci naj razmislijo, kako naj jim dajo navodila, ki bi pripeljala do želenega rezultata. Vajo lahko ponovijo, dodamo pa lahko novo pravilo, da lahko risar med risanjem postavlja vprašanja. Ponovno naj sledi pogovor o opravljeni vaji. Vprašanja v razmislek Kako se ta dejavnost nanaša na gradnjo in programiranje robotov? Odgovor: Roboti nimajo možganov in zato ne morejo sami razmišljati. Robot bo naredil samo to, kar mu rečemo, zato je komunikacija enosmerna. Če želimo, da robot naredi določeno nalogo, mu moramo dati jasna navodila. Viri Vaja je povzeta iz priročnika I DO Robotic, Lego Robotics Educator Guide, dr. Joanna M. Skluzacek ( 37

39 3.2 Uvod v robotiko Opis vaje: Vaja je namenjena za uvodno uro, kjer učenci spoznajo temeljne značilnosti računalniško krmiljenih strojev in naprav ter opredelijo značilnosti robota. Učenci si ogledajo videoposnetke različnih robotov in se tako bolje seznanijo s to temo. Težavnostna stopnja Čas izvedbe: 60 min Učni cilji: učenci spoznajo temeljne značilnosti računalniško krmiljenih strojev in naprav; opredelijo značilnosti robota; razlikujejo med robotom in drugimi računalniško krmiljenimi stroji in napravami; primerjajo avtomatske in računalniško krmiljene stroje in naprave; ugotovijo vlogo robotike v sodobni proizvodnji in naštejejo tipično tehnologijo, ki jo uporabljajo. Pripomočki: robot (npr. robot, ki sledi črni črti); računalnik z internetno povezavo in projektorjem; učni list (3 kopije). Izvedba vaje Učitelj pokaže sestavljenega robota (npr. robot, ki sledi črni črti) in kako ta deluje. Uvodna aktivnost učenci naj zapišejo na list papirja, kaj že vedo o robotih in robotiki. Podajo naj tudi primere, katere robote že poznajo. Učitelj se z učenci 38

40 pogovori o tem, kar so zapisali. Nato učitelj definira, kaj je robot in katere so njegove značilnosti. Kaj je robot? Robot je posebne vrste stroj, ki ga človek upravlja z računalnikom. Človek usmerja računalnik, robotu pošilja ukaze in ta jih izvaja kot naloge. Robot je stroj, sestavljen iz: mehanskega dela (roka + zapestje, sklepi, okončine, motorji, zavore...); računalniškega dela ter programja in tipal (to so senzorji, ki robotu omogočajo, da se zaveda samega sebe (merimo količine, kot so tlak, sile, temperature, navore...). Roboti se večinoma uporabljajo za avtomatizacijo dela, kar vodi v večjo produktivnost in zmanjševanje ročnega dela. Učitelj naj razloži tudi razliko med avtomatom in robotom. Medtem ko je avtomat stroj, ki je vnaprej prirejen za opravljanje nalog v specifičnem delovnem okolju in je neadaptiven, lahko robota reprogramiramo in adaptiramo v nova delovna okolja. Poznamo več vrst robotov. Tako ločimo: programabilne robote (robot nalogo ponavlja na vedno enak način); prilagodljive robote (roboti, ki delujejo v različnih okoljih, na katera se prilagodijo preko tipal); inteligentne robote (vsebujejo bolj kompleksna tipala, ki bolje zaznavajo okolico, zmožni so opravljati samostojne odločitve in imajo elemente umetne inteligence npr. Qurio podjejta Sony, Asimo podjetja Honda (Slika 14), CB 2...). Učitelj nato pokaže nekaj videoposnetkov robotov. Učenci naj se v parih pogovorijo, kje in kako se uporabljajo roboti. Nato učitelj učence razdeli v skupine (npr. po trije učenci v eni skupini) in učenci naj s pomočjo interneta ali druge literature poiščejo informacije o treh različnih robotih. Zapišejo naj si, za katero vrsto robota gre, kako robot deluje, kako je videti in zakaj tako ter kje se uporablja. V pomoč naj jim bo učni list (Priloga 3). Učenci predstavijo svoje delo. 39

41 Vprašanja v razmislek Kateri je najbolj zanimiv robot, ki ga je skupina našla in zakaj? Odgovor: Učenci podajo svoje mnenje. Slika 14: Humanoidni robot Asimo. (Vir: Viri Nekaj spletnih naslovov za prikaz delovanja robotov: TITAN firme KUKA, Paint Mate 200 ia firme FANUC, ROBONAUT podjetja NASA, CB 2, BIGDOG podjetja Boston Dynamics, 40

42 3.3 Elektromotor Opis vaje Takšno ali podobno vajo so učenci najverjetneje že izvedli pri urah Tehnike in tehnologije, zato s to vajo obnovijo znanje o delovanju enosmernega motorja. Učitelj naj jih pri tej vaji le usmerja in jim priskoči na pomoč, le če je to potrebno. Vsekakor pa naj na koncu vaje sledi evalvacija. Težavnostna stopnja Čas izvedbe: 30 min Učni cilji: ugotovijo, od česa je odvisna smer vrtenja enosmernega motorja; preizkusijo krmiljenje motorja z ročnimi stikali; povežejo kombinacije logičnih stanj s stanji vrtenja motorja. Pripomočki: konstrukcijska sestavljanka Fischertechnik Profi E-Tec. Izvedba vaje Učitelj učencem razdeli učne liste z navodili za izvedbo vaje (Priloga 4). Usmerja in priskoči na pomoč le, če je to potrebno. 1. Smer vrtenja elektromotorja Ko enosmerni motor povežemo z električno napetostjo, se začne vrteti. Če želimo, da se smer vrtenja motorja obrne, moramo zamenjati priključka na motorju. Ker se motor vrti z visokim številom vrtljajev na minuto, težko opazujemo smer vrtenja. Da učenci lažje opazujejo smer vrtenja motorja, lahko dodajo propeler. 41

43 2. Uporaba stikal za spreminjanje smeri vrtenja elektromotorja Ker je spreminjanje smeri vrtenja elektromotorja s prestavljanjem vtikačev zamudno, lahko za to uporabimo dve menjalni stikali. Z ustreznim vezjem lahko torej preprosteje krmilimo motor. Učitelj naj učence spomni, da lahko smer vrtenja motorja določamo le na podlagi opazovanja. Učenci naj narišejo električne sheme vezav menjalnih stikal in izpolnijo preglednico stanj stikal in motorja z menjalnim stikalom. Motor se vrti, kadar sta stikali v različnih stanjih. Ko učenci končajo vajo, sledi evalvacija, učenci predstavijo svoje ugotovitve. Vprašanja v razmislek Ali bi lahko namesto elektromotorja uporabili žarnico? Odgovor: Namesto elektromotorja bi lahko uporabili žarnico, vendar pri žarnici smer električnega toka ni pomembna. Naštejte še kakšen primer uporabe menjalnega stikala. Odgovor: Menjalno stikalo uporabljamo še pri stopniščni razsvetljavi, dvigalu, zapornicah... Viri Vaja je povzeta po delovnem priročniku konstrukcijske sestavljanke Fischertechnik Profi E-Tec ter diplomskem delu Urške Trošt: Uporaba sestavljank Fischertechnik in vmesnika eprodas-rob1 pri pouku Tehnike in tehnologije ( 42

44 3.4 Dvigalo Opis vaje Dvigalo se premika premo v navpični smeri. Mora se dvigati in spuščati ter pri tem nositi lažje breme (Slika 16). Slika 15: Dvigalo Težavnostna stopnja Čas izvedbe: 45 min Učni cilji: uporabijo strojne gradnike za prenos vrtenja v premo gibanje (zobata letev); učenci preizkusijo krmiljenje motorja z ročnimi stikali; učenci spoznajo vlogo reduktorja za zmanjšanje števila vrtljajev rotorja enosmernega motorja in ga uporabijo. Pripomočki: konstrukcijska sestavljanka Fischertechnik Profi E-Tec. 43

45 Izvedba vaje Učence razdelimo v skupine glede na število konstrukcijskih sestavljank, ki jih imamo na voljo. Najbolje je, da učenci delajo v parih. Podamo jim zapisana navodila (Priloga 5). Učenci naj sestavijo dvigalo po navodilih iz konstrukcijske sestavljanke Fischertechnik Profi E-Tec (str ). Dvigalu je treba dodati še električno vezje, pri katerem priključimo motor s stikali, da se bo dvigalo ob pritisku na prvo stikalo in spustilo ob pritisku na drugo stikalo. V pomoč pri vezavi sikal z motorjem naj bodo električne sheme v delovnem priročniku konstrukcijske sestavljanke (str. 7). Naloga učencev je, da ugotovijo, v katero smer se vrti motor, ko je pritisnjeno prvo stikalo, in v katero smer se vrti motor, ko je pritisnjeno drugo stikalo. Vprašanja v razmislek Na kakšen način spremenimo vrtenje v premo gibanje in obratno? Odgovor: Spremembo gibanja iz vrtenja v premo gibanje in obratno nam omogoča zobata letev. Katero gonilo zmanjša število vrtljajev elektromotorja pri sestavljenem dvigalu? Odgovor: Dvigalu zmanjša število vrtljajev polžasto gonilo, ki deluje tudi samozaporno, zato dvigalo ne pade pod lastno težo. Viri Vaja je povzeta po delovnem priročniku konstrukcijske sestavljanke Fischertechnik Profi E-Tec ter diplomskem delu Urške Trošt: Uporaba sestavljank Fischertechnik in vmesnika eprodas-rob1 pri pouku Tehnike in tehnologije ( 44

46 3.5 Vožnja naravnost Opis vaje Ko učenci po navodilih, ki so priložena konstrukcijski zbirki Lego Mindstorms, sestavijo osnovni model robota, ga je potrebno začeti uporabljati. Namen te vaje je, da učenci napišejo svoj prvi program, da se robot pelje naravnost. Opomba: vaja je napisana za uporabo konstrukcijske zbirke Lego Mindstorms NXT. Se pa lahko ta vaja ustrezno priredi (napiše se nov slikovni vodnik) za uporabo novejše različice zbirke Lego Mindstorms EV3. Najverjetneje bo treba učence na tem mestu seznaniti tudi z grafičnim programskim okoljem NXT-G. Težavnostna stopnja Čas izvedbe: 90 min Učni cilji: učenci uporabijo računalnik za krmiljenje smeri gibanja oz. mirovanja mehanskega sistema in ga programirajo; ugotovijo, da z računalnikom določimo tri stanja motorja (dve meri vrtenja in mirovanje). Pripomočki: konstrukcijska zbirka Lego Mindstorms NXT; sestavljen osnovni model robota Lego Mindstorms NXT z dvema motorjema, pri čemer je en motor priključen na vrata B in drugi na vrata C; računalnik z ustreznim grafičnim programom NXT-G; USB kabel za prenos programa na robota; natisnjena navodila za izvedbo vaje (Priloga 6). 45

47 Izvedba vaje Glede na stopnjo predznanja učencev se učitelj odloči, na kakšen način naj učenci to vajo izvedejo. Lahko jo izvedejo popolnoma vodeno po učiteljevih navodilih, ki so lahko natisnjena ali podana frontalno, po korakih, vsi učenci hkrati. Učitelj lahko pripravi učencem tudi podrobna navodila, slikovni vodnik, kako izvesti vajo, kot je podan primer (Priloga 7). Lahko pa učencem prepustimo, da sami raziščejo, kako naj vajo izvedejo. Učitelj pa jih pri tem samo usmerja. Če si dobro pogledamo kolesa robota, opazimo na straneh zapisane številke. Te številke nam povedo, kakšna je velikost kolesa. Prva številka pomeni premer, druga pa širino kolesa. Mere so podane v milimetrih. Če poznamo premer kolesa, lahko izračunamo njegov obseg. Obseg kolesa pa nam pove, kolikšno razdaljo prepotuje robot, če se pogonski kolesi zavrtita za 1 obrat. o = πd, pri čemer je o = obseg kolesa, π = 3,14 in d = premer kolesa Ker je kolo robota krog, lahko govorimo tudi o stopinjah vrtenja koles. En obrat kolesa tako ustreza 360-tim stopinjam. Vprašanja v razmislek S kakšnimi težavami si se soočil pri tej nalogi? Kaj je po tvojem mnenju vzrok teh težav? Kako bi lahko te težave odpravil? Odgovor: Tukaj ni možno zapisati rešitev, ker jih je več in so glede na posameznega učenca, lahko različne. Kolikšno razdaljo prepotuje robot, če se pogonski kolesi zavrtita za 1 obrat? Odgovor: Če poznamo premer kolesa, lahko izračunamo njegov obseg. Obseg kolesa pa nam pove, kolikšno razdaljo prepotuje robot, če se pogonski kolesi zavrtita za 1 obrat. o = πd, pri čemer je o = obseg kolesa, π = 3,14 in d = premer kolesa Koliko obratov mora narediti kolo, da robot prepotuje razdaljo 50 cm? Odgovor: Razdaljo 50 cm delimo z obsegom pogonskih koles. 46

48 Primerjaj razdaljo, ki jo je robot prepotoval v 1. nalogi, z razdaljo, ki jo je prepotoval v 2. nalogi. Kaj ugotoviš? Odgovor: Razdalji sta enaki. Ker je kolo robota krog, lahko govorimo tudi o stopinjah vrtenja koles. En obrat kolesa tako ustreza 360-tim stopinjam. Viri Vaja je povzeta iz priročnika I DO Robotic, Lego Robotics Educator Guide, dr. Joanna M. Skluzacek ( 3.6 Slalom robota Opis vaje Ker nam vožnja robota naravnost naprej in naravnost nazaj vedno ne zadošča, raziščimo, kako robota obračati. Učencem zastavimo problemsko nalogo. Postavimo jim izziv, da naj robot prevozi slalomsko progo. Težavnostna stopnja: Čas izvedbe: 90 min Učni cilji: učenci uporabijo računalnik za krmiljenje smeri gibanja oz. mirovanja mehanskega sistema in ga programirajo; ugotovijo, da z računalnikom določimo tri stanja motorja (dve smeri vrtenja in mirovanje). 47

49 Pripomočki: sestavljen osnovni model robota Lego Mindstorms NXT z dvema motorjema, pri čemer je en motor priključen na vrata B in drugi na vrata C; računalnik z ustreznim grafičnim programom NXT-G; USB kabel za prenos programa na robota; slalomska proga (Priloga 8). Vse ostale pripomočke, ki so potrebni za izvedbo vaje, načrtujejo učenci. Potrebovali pa bodo npr. 4 lončke za količke na slalomski progi, črn in rdeč izolirni papir, s katerim začrtajo začetek in cilj slalomske proge. Izvedba vaje Učencem zastavimo problemsko nalogo. Postavimo jim izziv, da naj robot prevozi slalomsko progo. Slalomsko progo si lahko učenci narišejo sami, ali pa jim jo poda učitelj (Priloga 8). Učencem damo še dodatna navodila, da naj se robot premika po zunanji strani količkov in med vožnjo se količkov ne sme dotakniti. Grafični program NXT-G omogoča, da programskim gradnikom nastavimo parametre pogonov. Tako lahko pogonu motorja nastavimo tudi smer vrtenja oziroma krmiljenje (Steering) (Slika 17). Slika 16: Motorju lahko nastavimo tudi smer motorja. Glede na njegovo nastavitev lahko nastavimo, da se robot premakne v majhnem krogu, v velikem krogu ali pa se samo vrti. To lahko storimo, kadar želimo, da se 48

50 robot zavrti na mestu, tedaj povlečemo drsnik vse do leve ali desne, odvisno v katero smer želimo, da se robot zavrti. Primer: Povlecimo drsnik vse do desne. Shranimo program, ga naložimo v robota in ga zaženemo. Opazujemo, v katero smer se bo robot vrtel. Nato smer spremenimo. Drsnik povlečemo vse do leve. Shranimo program, ga naložimo v robota in zaženemo program. Preverimo, ali se robot vrti v nasprotni smeri. Kadar želimo, da se robot giblje v krogu, je od tega, koliko povlečemo drsnik proti levi oz. proti desni odvisna velikost kroga, ki ga opravi robot. Vprašanja v razmislek Ali bi lahko zavijanje oz. vijuganje robota okoli lončkov programirali še drugače? Odgovor: Npr.: Vijuganje oz. zavijanje robota okoli lončkov bi lahko programirali z nastavitvijo hitrosti vrtenja posameznega kolesa motorja. Viri Vaja je povzeta iz priročnika I DO Robotic, Lego Robotics Educator Guide, dr. Joanna M. Skluzacek ( 49

51 3.7 Raziskovalec Opis vaje Sestaviti želimo robota, ki bo»raziskoval«svojo okolico in se pri tem izogibal oviram, ki so mu v napoto. Robot naj poskuša "videti" stene in druge ovire, preden se vanje zaleti, nato pa naj ugotovi, v kateri smeri naj nadaljuje svoje raziskovanje. Težavnostna stopnja Čas izvedbe: 60 min Učni cilji: učenci uporabijo (sestavijo) računalniški program, ki ima vgrajeno povratno delovanje stikala; ugotovijo vlogo digitalnega čutilnika za določitev zasuka; spoznajo lastnosti in uporabo analognega vhoda. Pripomočki: konstrukcijska zbirka Lego Mindstorms NXT; računalnik z ustreznim grafičnim programom NXT-G in internetno povezavo; USB kabel za prenos programa na robota; Izvedba vaje: Učitelj učencem, ki delajo v skupini, postavi izziv, kako sestaviti in nato programirati robota, ki bo»raziskoval«svojo okolico. Pri tem naj robot poskuša»videti«ovire, ki so mu v napoto, preden se vanje zaleti. Ko naleti na oviro, naj»pogleda«levo in desno, da ugotovi, v kateri smeri naj nadaljuje svoje 50

52 raziskovanje. V primeru, da ovire na svoji poti ne vidi in se zaleti vanjo, naj odbijač robota sproži senzor dotika, da se robot ustavi, zapelje malce nazaj in spet pogleda levo in desno, da ugotovi, v kateri smeri naj nadaljuje svoje raziskovanje. Navodila naj dobijo učenci zapisana tudi na učnem listu (Priloga 9), da lahko večkrat pogledajo, kakšna je njihova naloga. Učenci naj samostojno poskušajo sestaviti robota in ga tudi programirati. Učitelj naj jih pri tem spodbuja in usmerja. Če pa imajo učenci težave s sestavljanjem ali programiranjem, si lahko navodila za sestavljanje in programiranje robota Raziskovalca ogledajo na spletni strani Vprašanja v razmislek Katere senzorje ste uporabili za raziskovanje okolice in zakaj? Odgovor: Uporabili smo ultrazvočni senzor, ki meri razdaljo do predmetov, in senzor dotika, ki je robotu dal ukaz, da se oviri izogne. Ali robot najde oviro tudi takrat, ko ga na začetku ne usmerimo proti oviri? Odgovor: Tukaj ni možno zapisati rešitve, saj se lahko glede na različne izvedbe robotov in različne usmeritve, rešitve razlikujejo. Kje bi lahko uporabili takšnega robota oz. ali poznate kakšnega robota, ki deluje po takšnem principu? Odgovor: Na podoben način delujejo robotski sesalniki, robotske kosilnice... Viri Vaja je povzeta s spletne strani nxtprograms.com, ( 51

53 3.8 Sledenje črni črti Opis vaje Učitelj predstavi učencem problemsko nalogo, in sicer Z robotom želimo prevoziti označeno pot v najkrajšem času (Slika 18). Slika Slika 17: 16: Primer Primer poti, poti, ki ki naj jo naj jo prevozi prevozi robot. Težavnostna stopnja Čas izvedbe: 90 min Učni cilji: učenci razložijo lastnosti svetlobnih čutilnikov v vlogi stikal; ugotovijo potrebe po krmiljenju s povratnim delovanjem; ugotovijo vlogo digitalnega čutilnika za določitev zasuka; spoznajo lastnosti in uporabo analognega vhoda. Pripomočki: sestavljen osnovni model robota Lego mindstorms NXT z dvema motorjema; računalnik z ustreznim grafičnim programom NXT-G; svetlobni senzor; črn izolirni trak; beli iveral, na katerega nalepimo pot, ki jo mora robot prevoziti. 52

54 Izvedba vaje Učitelj predstavi učencem problemsko nalogo: Z robotom prevoziti po označeni pot v najkrajšem času. Učence razdelimo v skupine po dva ali tri učence. Vsaka skupina išče rešitve problema. Učiteljeva vloga je, da pri reševanju problema svetuje, ob morebitnih težavah usmerja in pomaga. Vsaka skupina predstavi svoje dosežke, nove rešitve in težave. Ob koncu vaje naredimo še tekmovanje, kateri skupini je uspelo sestaviti in programirati robota, ki najhitreje prevozi označeno pot. V pomoč pri izvedbi vaje učencem razdelimo še dodatna navodila (Priloga 10). Za programiranje robota uporabimo grafični program NXT-G. Program, ki ga morajo učenci zapisati, da bodo robota pripeljali skozi labirint, temelji na odčitku svetlobnega senzorja. Na osnovi tega, kar svetlobni senzor odčita, robot prilagodi moč motorja. Svetlobni senzor je treba zato najprej kalibrirati (umeriti) glede na labirint, ki ga mora robot prevoziti. Tako moramo najprej odčitati vrednost, ki jo svetlobni senzor prejme pri odboju od bele barve (največ = najsvetlejše), nato še od črne barve (najmanj = najtemnejše). Slika 18: Razporeditev barve. Tako nastavimo meji med barvama. Modul NXT si bo zapomnil številke, ki mu jih sporoči svetlobni senzor, in sicer bo najmanjša pričakovana vrednost sporočena kot 0 (črna barva) in največja kot 100 (bela barva) (Slika 19). Kalibracijo izvedemo iz programskega okolja (calibrate.rbt) ali pa na modul NXT naložimo program calibrate.rxe. Rezultate kalibracije si modul NXT zapomni, dokler senzorja ponovno ne umerimo. To naredimo, če želimo npr. robot uporabit pri drugačni osvetlitvi prostora. Pri tem pa nam samega programa ni treba spreminjati. 53

55 Slika 19: Primer programa sledenja črni črti. Na sliki 20 je prikazan primer delovanja programa sledenja črni črti, ki znotraj zanke večkrat preveri vrednost svetlobnega senzorja in vrne število med 0 in 100, odvisno od odčitka tipala. Pri vrednosti 50 je robot osredotočen na mejo med črno in belo, pri vrednosti večji od 50 zavije desno (poveča se moč delovanja motorja B in sočasno zmanjša moč levega motorja C), pri vrednosti manjši od 50 pa levo (poveča se moč delovanja motorja C in sočasno zmanjša moč delovanja desnega motorja B) (Slika 21). Cilj robota je, da pelje s čim manj nihanj, da se drži vrednosti 50. Za boljše rezultate je treba robota zagnati blizu desnega roba črte. Slika 20: Branje svetlobnega senzorja. Če so zavoji črne črte dolgi in blagi, robot lepo sledi črni črti. Pri ostrih zavojih pa se robot rad izgubi in ne najde več poti nazaj. Robot se pri izvajanju tega programa ves čas giblje levo in desno, četudi je črta, ki ji sledi, popolnoma ravna, ker ves čas preverja vrednosti svetlobnega senzorja. 54

56 Vprašanja v razmislek Kako bi dosegli, da bi se robot po črni črti gibal bolj gladko in hitreje? Odgovor: Za bolj gladko in hitrejše gibanje je potreben nov program. Učenci lahko programe pišejo in izboljšujejo s poskušanjem, ali pa bolj elegantne rešitve poiščejo s pomočjo spleta. Viri Vaja je povzeta iz magistrske naloge E. Bizaja: Možnosti za uporabo modula Lego NXT na različnih nivojih izobraževanja (2013) in spletne strani Semafor Opis vaje Semafor ima tri različne luči, ki se prižigajo in ugašajo. S pomočjo vmesnika Arduino Uno sprogramirajmo samodejno prižiganje in ugašanje luči semaforja (led diode). Težavnostna stopnja Čas izvedbe: 60 min Učni cilji: učenci spoznajo osnove digitalno podane informacije; uporabijo računalniški vmesnik; primerjajo model s pravimi računalniško krmiljenimi napravami. 55

57 Pripomočki: računalniški vmesnik Arduino Uno z USB kablom; osebni računalnik z nameščenim Arduino programskim okoljem; tri LED diode (rdeča, rumena, zelena); trije 150 Ω uporniki; žičke; testna plošča. Izvedba vaje Učitelj naj na računalnike pripravi Arduino programsko okolje RAR datoteko, ki jo dobi na uradni strani Arduino ( Ta naj učence s pomočjo naloge najprej seznani z vmesnikom Arduino Uno, da povežejo vmesnik Arduino Uno z LED diodo in da napišejo program, ki bo LED diodo vklapljal in izklapljal (navodila v Prilogi 11). Nato naj z vmesnikom povežejo dve diodi in ju izmenično vklapljajo in izklapljajo. Dvema diodama sledi vezava treh v semafor. Vprašanja v razmislek Na semaforjih je včasih zelena luč trikrat utripnila, preden je ugasnila. Razmislite, kako bi v zadnji program dodali še to. Odgovor: Rešitev je v prilogi. Viri Vaja je povzeta s spletne učilnice Fakultete za računalništvo in informatiko v Ljubljani 17/18, ( 56

58 3.10 Senzorji robota in digitalni vhod Opis vaje Učenci se seznanijo z osnovnimi senzorji in z ukazi za branje digitalnih vhodov. Spoznajo tudi različne programske zanke. Težavnostna stopnja Čas izvedbe: 60 min Učni cilji: spoznajo osnove digitalno podane informacije; uporabijo krmiljenje s povratnim delovanjem prek stikal; spoznajo lastnosti in uporabo digitalnega vhoda. Pripomočki: konstrukcijska zbirka Fischertechnik; računalnik z ustreznim programom Bascom; vmesnik Arduino Uno. Izvedba vaje Robot zaznava svojo okolico s pomočjo senzorjev in se glede na informacijo, ki jo dobi preko senzorjev, odloči za nadaljnjo operacijo. Senzorje razdelimo na digitalne in analogne. Digitalni senzorji ločijo dve stanji (logična 1 in logična 0). Priključimo jih na digitalne vhode krmilnika, kjer lahko spremljamo, ali je signal, ki prihaja s senzorja, logična 1 (+ 5 V) ali logična 0 (0 V). 57

59 Učitelj učencem, ki delajo v skupini, poda nalogo, naj raziščejo, kateri so digitalni senzorji, kakšen podatek lahko dobimo iz stikala oz. kako lahko iz stikala "naredimo" tipalo? Učenci naj samostojno s pomočjo navodil, ki jih dobijo na spletu, na strani Napredne učne kocke Nauk.si ( /index.html#state=35), poskušajo sestaviti robota in ga tudi programirati. Učitelj naj jih pri tem spodbuja in usmerja. Vprašanja v razmislek Kaj je vmesnik? Odgovor: Vmesnik je elektronsko vezje, povezava med računalnikom in npr. motorji, stikali, čutilniki. Katere so vhodne in izhodne enote vmesnika? Odgovor: Vhodne enote vmesnika so tiste, ki jih spreminjamo mi s stikali ali različnimi senzorji. Izhodne enote pa so tiste, katerih delovanje spreminja programiran vmesnik (npr. zavrti se motor, LED dioda se prižge). Kaj pomeni, da je vhod ali izhod v logični enici in kaj, če je v logični ničli? Odgovor: Če je vhod ali izhod v logični enici pomeni, da je na njem napetost +5 V, če pa je v logični ničli pa je napetost na njem 0 V. Viri Vaja je s spletne strani Napredne učne kocke Nauk.si, ( 58

60 3.11 Senzorji robota in analogni vhod Opis vaje Učenci se seznanijo z osnovnimi pojmi analognih senzorjev in z ukazi za branje analognih vhodov. Spoznajo tudi različne operatorje in pogojni stavek if. Težavnostna stopnja Čas izvedbe: 60 min Učni cilji: spoznajo pomen analognega čutilnika; uporabijo analogni vhod vmesnika pri krmiljenju s povratnim delovanjem; ugotovijo, da je za analogni vhod potrebna pretvorba iz analognega v digitalno; primerjajo digitalno in analogno krmiljenje in uporabnost obeh načinov. Pripomočki: konstrukcijska zbirka Fischertechnik; računalnik z ustreznim programom Bascom; vmesnik Arduino Uno. Izvedba vaje Kadar želimo, da robot spremlja količine, ki se zvezno spreminjajo (temperatura, vlaga, svetloba ) potrebujemo senzorje, ki ločijo med več kot samo dvema stanjema. Tako za temperaturo ni dovolj, da rečemo»je nizka ali je visoka«, ampak nas zanima, kako visoka ali kako nizka je. Tudi za osvetljenost ni dovolj, da rečemo»zunaj je svetlo, ali zunaj je tema«, temveč nas zanima, kako temno je. 59

61 Senzorji, ki ločijo med več stanji, so analogni senzorji. Napetost, ki prihaja iz analognega senzorja, tako ni več samo + 5 V ali 0 V, ampak so vse vrednosti med 0 in +5 V. Zato imajo vmesniki analogno digitalne pretvornike ADC (Analogno Digitalni Pretvornik), ki poljubno napetost na analognem vhodu pretvorijo v število. Naš vmesnik loči med 1024 različnimi stanji. Učitelj učencem, ki delajo v skupini, poda nalogo, naj raziščejo, kateri so analogni senzorji in kako beremo analogne vhode. Učenci naj samostojno s pomočjo navodil, ki jih dobijo na spletu, na strani Napredne učne kocke Nauk.si ( /index.html#state=21), poskušajo sestaviti robota in ga tudi programirati. Učitelj naj jih pri tem spodbuja in usmerja. Vprašanja v razmislek Kaj pomeni izraz krmiljenje s povratnim delovanjem? Odgovor: Krmiljenje s povratnim delovanjem pomeni vodenje robota po vnaprej določenem programu, ki pa upošteva stanja na vhodih. Glede na različno vhodno informacijo se program odziva z različno izhodno informacijo. Kaj bi se zgodilo, če bi fotoupor vezali na digitalni vhod? Odgovor: V stanju, ko je fotoupor zatemnjen, napetost premalo pade, da bi prišel v logično stanje 0. Tako bi bil digitalni vhod ves čas v stanju logične 1, zato ne bi mogli izvesti pogojnega stavka. Viri: Vaja je s spletne strani Napredne učne kocke Nauk.si, ( 60

62 3.12 Vožnja skozi labirint Opis vaje Učitelj učencem predstavi projektno nalogo učenci naj oblikujejo labirint tako, da robot tekom vožnje skozi labirint opravi nekaj nalog z različnimi senzorji. Učenci naj sami podajo nove ideje, kako nadgraditi nalogo sledenja robota črni črti. Npr. robot naj se dotakne stene, sledi črni črti, se ustavi pred oviro, jo obide itd. Težavnostna stopnja Čas izvedbe: težko predvideti Učni cilji: učenci uporabijo računalnik za krmiljenje smeri gibanja oz. mirovanja mehanskega sistema in ga programirajo; ugotovijo potrebe po krmiljenju s povratnim delovanjem; uporabijo mehansko stikalo kot način za vzpostavitev povratnega delovanja; ugotovijo vlogo digitalnega čutilnika za določitev zasuka; načrtujejo mehanski model za premikanje predmeta v treh dimenzijah. Izvedba vaje: Učenci so pogosto najbolj motivirani takrat, ko opravijo neke naloge, ki jih sami načrtujejo. Učitelj tako učencem predstavi projektno nalogo. Vzpostavi okolje za viharjenje možganov, da učenci sami podajo nove ideje, kako nadgraditi nalogo sledenja robota črni črti. Učenci naj podajajo predloge, kako sestaviti robota, ki prevozi labirint, ki ga učenci seveda sami oblikujejo. Labirint naj bo postavljen tako, da robot tekom vožnje skozi labirint opravi nekaj nalog z različnimi senzorji. 61

63 Npr. robot naj se dotakne stene, sledi črni črti, se ustavi pred oviro, jo obide itd. Učitelj naj bo pri tem le usmerjevalec, povezovalec in svetovalec. Učenec pa glavni nosilec večine aktivnosti od iskanja idej, zbiranja materialov, sestavnih delov do izdelave. Učenci naj delajo v parih ali skupinah po tri. Vsaka skupina na koncu predstavi svoje dosežke in rešitve ter tudi težave, ki so jih pri izvajanju projekta imeli. Skupine v takšnih primerih pogosto med seboj tudi tekmujejo, tako da merijo čas, v katerem robot prevozi labirint. Vprašanja v razmislek Na katere težave ste naleteli pri sestavljanju in kasneje pri programiranju robota? Odgovor: Učenci podajo svoja opažanja. Ali je za vožnjo robota skozi labirint dovolj, da so vsi senzorji, ki jih robot uporablja, nameščeni na prednjem delu robota? Odgovor: Tukaj ni možno zapisati rešitev, ker jih je več in so glede na posameznega učenca, lahko različne. Viri: Vaja je povzeta iz magistrske naloge E. Bizaja: Možnosti za uporabo modula Lego NXT na različnih nivojih izobraževanja (2013). 62

64 3.13 Oblikovanje robotske roke Opis vaje Robotska roka je pomemben del robota. Učenci bodo oblikovali elemente robotske roke in izdelali 2D kartonski model robotske roke. Težavnostna stopnja Čas izvedbe: 45 min Učni cilji: učenci načrtujejo mehanski model za premikanje predmeta v treh dimenzijah; spoznajo vlogo krmiljenja gibanja v treh dimenzijah; spoznajo osnovne arhitekture robotske roke; ugotovijo vlogo robotskega zapestja. Pripomočki: Projektor ali interaktivna tabla. Za vsako skupino: o karton A4 ali A3; o škarje ali tapetni nož; o 5 razcepk za papir; o 3 sponke za papir; o 2 m vrvice; o 2 elastiki; o lepilni trak. Izvedba vaje Učitelj s pomočjo računalnika in projektorja učencem predstavi model robotske roke in določi njene glavne dele (rama, komolec, zapestje, roka/prijemalo). Učenci dopolnijo sliko na učnem listu (Priloga 12). 63

65 Učitelj razdeli učence v skupine po štiri učence; poda jim navodilo, in sicer da izdelajo model robotske roke. Pri tem učitelj učencem pojasni, da se takšno načrtovanje in izdelava modelov tudi v industriji zelo pogosto uporablja za vrednotenje in izboljševanje idej, saj je takšen način izdelave prototipa lažji kot iz končnih materialov, ker jih lahko hitro spreminjamo. Učencem se razdeli potreben material za izdelavo 2D modela robotske roke. Pri načrtovanju in izdelavi kartonskih modelov robotske roke naj učenci razmislijo: kako bodo odpirali in zapirali roko (prijemalo) in kako bo prijemalo pritrjeno na roko. Če čas dopušča, skupine spodbudimo, da preizkusijo, kako dobro deluje njihova idejna zasnova in kako bi se jo dalo izboljšati. Skupine svoj končni model 2D robotske roke predstavijo pred razredom. Med seboj si naj podajo predloge, kako predstavljene robotske roke še izboljšati. V razmislek Učencem lahko za izdelavo modela robotske roke ponudimo standardne oblike, npr. pravokotnik za roko, trikotnik za prijemalo..., kvadrate, kroge... Viri: Vaja je povzeta po učni pripravi Designing a robot arm, s spletne strani IET Education, The Institution of Engineering and Technology ( 64

66 3.14 Robotska roka Opis vaje S pomočjo konstrukcijske zbirke Lego Mindstorms NXT sestavimo model robotske roke (Slika 22), ki jo opravljamo s pomočjo gumbov na inteligentni kocki NXT. Težavnostna stopnja Čas izvedbe: 45 min Učni cilji: učenci načrtujejo mehanski model za premikanje predmeta v treh dimenzijah; spoznajo vlogo krmiljenja gibanja v treh dimenzijah; spoznajo osnovne arhitekture robotske roke; ugotovijo vlogo robotskega zapestja. Pripomočki: konstrukcijska zbirka Lego Mindstorms NXT; računalnik z ustreznim grafičnim programom NXT-G in internetno povezavo; USB kabel za prenos programa na robota. Izvedba vaje Učitelj najprej učencem predvaja videoposnetek modela robotske roke ( ki jo bodo sestavili. Učenci naj si dobro ogledajo videoposnetek in opazujejo, kako je robotska roka 65

67 sestavljena, koliko motorjev je uporabljenih pri tem modelu robotske roke ter čemu služijo. Ta model robotske roke uporablja tri motorje, da se lahko vrti levo in desno, dviga in spušča ter odpira in zapira roko/prijemalo. Nato naj učitelj učence razdeli v skupine po dva ali tri učence, da bodo sestavili model robotske roke. Navodila za sestavljanje robotske roke si učenci ogledajo na spletni strani in po navodilih sestavijo model robotske roke. Slika 21: Robotska roka. (Vir: Na isti spletni strani je pripravljen tudi program Arm Control za programiranje robotske roke. Ta program omogoča nadzor robotske roke z uporabo sivih gumbov (levo, desno), oranžnega gumba na pametni kocki NXT in senzorja na dotik. S pritiskom na oranžni gumb preklopimo krmiljenje med načinoma "Rotate" in "Lift". V načinu "Rotate", ob pritisku na levi ali desni sivi puščični gumb, zavrtimo roko levo ali desno. V načinu "Dviganje", ob pritisku na levi ali desni sivi puščični gumb, dvignemo ali spustimo roko. S pritiskom na gumb senzorja na dotik sprožimo roko/prijemalo (klešče). 66

68 Vprašanja v razmislek Koliko motorčkov ste uporabili za krmiljenje robotske roke ter čemu služijo? Odgovor: Tri. En motorček je potreben za vrtenje robotske roke levo in desno, drugi za spuščanje in dviganje robotske roke in tretji odpira in zapira robotsko roko. Na kakšne težave ste naleteli pri sestavljanju in programiranju robotske roke? Odgovor: Tukaj ni možno zapisati rešitve, saj se lahko glede na različne izvedbe robotov in različne usmeritve, rešitve razlikujejo. Katere senzorje bi lahko robotski roki dodali, da bi robot s takšno robotsko roko sam zaznal, kje je predmet, ki ga je treba prenesti na drugo lokacijo? Odgovor: Možnih je več odgovor, ki jih naj učenci tudi pojasnijo. Viri: Vaja je povzeta s spletne strani nxtrograms.com, ( 67

69 4 ZAKLJUČEK Robotika je dandanes že zelo razširjena na različnih področjih, zato je prav, da se učenci z robotiko seznanijo že v osnovni šoli. V ta namen lahko osnovne šole učencem ponudijo izbirni predmet Robotika v tehniki. Z magistrskim delom smo želeli zbrati nekaj primerov vaj, ki bi bile v pomoč učiteljem, ki že poučujejo ali pa se bodo poučevanja izbirnega predmeta Robotika v tehniki še lotili. Zbrane vaje pokrivajo skoraj vse zapisane cilje v učnem načrtu. Vaje, zbrane v tem magistrskem delu, temeljijo na principih konstruktivizma. Temu pa ustrezata problemski in projektni pouk, opisana na začetku dela. Obe metodi sta v učenca usmerjen učni proces, kjer si učenec znanje ustvarja sam in se pri tem več in trajnejše nauči. Večinoma so vaje podane tako, da učenci delajo v parih ali v manjših skupinah, učitelj pa jih s problemom spodbudi za delo, jih usmerja in jim pomaga, ko naletijo na težave. Vaje si sledijo po težavnostnih stopnjah tako za konstrukcijsko zbirko Fischertechnik kot tudi Lego Mindstorms. Vsako vajo lahko učitelji po lastni presoji tudi nadgradijo ali pa prilagodijo svoji konstrukcijski zbirki, ki jo imajo na voljo. Za izvedbo in evalvacijo zbranih vaj nam je zmanjkalo časa. Magistrsko delo bi tako lahko še nadgradili z evalvacijo zbranih vaj in dodali še kriterije za ocenjevanje znanja pri izbirnem predmetu Robotika v tehniki. 68

70 Literatura Aberšek B. (2012). Didaktika tehniškega izobraževanja med teorijo in prakso, Zavod Republike Slovenije za šolstvo, Ljubljana. Arduino (b. d.). Pridobljeno , s Bajd T., Mehelj M., Lenarčič J., Stanovnik A., Munih M. (2008). Robotika, Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana. Bizaja E. (2013). Magistrska naloga - Možnosti za uporabo modula Lego NXT na različnih nivojih izobraževanja. Pridobljeno , s Comlab, Računalniško podprt laboratorij pri pouku naravoslovja in tehnike (b. d). Pridobljeno , s Designing a robot arm, IET Education, The Institution of Engineering and Technology (b. d.). Pridobljeno , s Ferk Savec V. (2010). Projektno učno delo pri učenju naravoslovnih vsebin, Maribor. Pridobljeno , s Gerlič I. (2006). Problemski pouk fizike v osnovni šoli, Zavod Republike Slovenije za šolstvo, Ljubljana. Glamnik A., Veber M. (2012). Robotika, Konzorcij šolskih centrov Slovenije v okviru projekta MUNUS 2, Slovenija. Pridobljeno , s kladi/gradiva/munus2/munus2_116mhtrobotikaavr.pdf. Kocijančič S., Hajdinjak L., Karner B. (2002). Učni načrt za izbirni predmet Robotika v tehniki. Pridobljeno , s ka/predmeti_izbirni/robotika_v_tehniki_izbirni.pdf. 69

71 Koložvari A.(2012). Mali roboti 3, Odprta akademija Slovenije Združenje za napredek, Lesce. Kozjek T. (2012). Diplomsko delo Izdelava e-gradiva za robotiko v programskem okolju Bascom, Ljubljana. Pridobljeno , s Kržičnik K. (2009). Diplomsko delo Priljubljenost in uporaba problemskega pouka na izbranih osnovnih šolah, Ljubljana. Pridobljeno , s Kušar. T. (2009). Krožek robotike in elektronike. Pridobljeno , s strani Ozmec U. (2012). Diplomsko delo Vloga in pomen robotike v OŠ, Maribor. Pridobljeno , s Rihtaršič D. (2017). A model of teaching electronics, programming and mechanics in robotics for youth (Model poučevanja elektronike, programiranja in mehanike v robotiki za mladostnike: doktorska disertacija). Ljubljana. Pridobljeno , s Rihtaršič D., Kocijančič S. (2012). The role of equipment and accessories in the early teaching of robotics, Ljubljana. Pridobljeno , s Roboti (b. d.). Pridobljeno , s Robotika (b. d.). Pridobljeno , s Skluzacek J. M., DO Robotic, Lego Robotics Educator Guide. Pridobljeno , s 70

72 Spletna učilnica Fakultete za računalništvo in informatiko v Ljubljani 17/18 (b. d). Pridobljeno , s Strmčnik F. (1992). Problemski pouk v teoriji in praksi, Didakta, Ljubljana. Šorgo A. (2011). Pouk naravoslovja, usmerjen v razvoj kompetenc, UNI MB. Pridobljeno , s Špernjak A, Šorgo A. (2009). Predlog za razvoj osnovne kompetence v znanosti in tehnologiji ter digitalne pismenosti pri pouku naravoslovnih predmetov v osnovni šoli s pomočjo računalniško podprtega laboratorijskega dela. Didakta, letnik 18/19, številka127, str Pridobljeno dne , s Trošt U. (2009). Diplomsko delo - Uporaba sestavljank Fischertechnik in vmesnika eprodas-rob1 pri pouku Tehnike in tehnologije, Ljubljana. Pridobljeno , s 71

73 Priloga 1: Operativni cilji, ki so zapisani v učnem načrtu predmeta Robotika v tehniki 1. Pregled računalniško krmiljenih strojev in naprav Učenci: spoznajo temeljne značilnosti računalniško krmiljenih strojev in naprav; opredelijo značilnosti robota; razlikujejo med robotom in drugimi računalniško krmiljenimi stroji in napravami; primerjajo avtomatske in računalniško krmiljene stroje in naprave; ugotovijo vlogo robotike v sodobni proizvodnji in naštejejo tipično tehnologijo, ki jo uporabljajo. 2. Računalniško krmiljenje podnožja robotske roke (sistem z eno predstavno stopnjo) Učenci: spoznajo vlogo reduktorja za zmanjšanje števila vrtljajev rotorja enosmernega motorja in ga uporabijo; opišejo strojne gradnike za prenos vrtenja rotorja na vrtenje podnožja robota; ugotovijo, od česa je odvisna smer vrtenja enosmernega motorja; preizkusijo krmiljenje motorja z ročnimi stikali; uporabijo računalnik za krmiljenje smeri gibanja oz. mirovanja mehanskega sistema in ga programirajo; ugotovijo, da z računalnikom določimo tri stanja motorja (dve smeri vrtenja in mirovanje); preverijo lastnosti in delovanje elektromagneta. 3. Krmiljenje s povratnim delovanjem (računalniška regulacija) Učenci: ugotovijo potrebe po krmiljenju s povratnim delovanjem; uporabijo mehansko stikalo kot način za vzpostavitev povratnega delovanja; spoznajo značilnosti uporabe digitalnega vhoda; razložijo lastnosti svetlobnih in drugih čutilnikov v vlogi stikal; ugotovijo vlogo digitalnega čutilnika za določitev zasuka; uporabijo linearni potenciometer za določitev kota podnožja; spoznajo lastnosti in uporabo analognega vhoda; uporabijo potenciometer pri krmiljenju kota motorja. 72

74 4. Model robotske roke (tri prostostne stopnje) Učenci: uporabijo strojne gradnike za prenos vrtenja v premo gibanje (zobata letev); načrtujejo mehanski model za premikanje predmeta v treh dimenzijah; spoznajo vlogo krmiljenja, gibanja v treh dimenzijah; spoznajo osnovne arhitekture robotske roke; ugotovijo vlogo robotskega zapestja. 5. Modeli računalniško krmiljenih strojev in naprav Učenci: spoznajo druge računalniško krmiljene stroje in naprave; primerjajo modele, ki jih sestavijo, s pravimi računalniško krmiljenimi napravami; poznajo povezanost računalniško krmiljenih naprav z računalniško podprtim konstruiranjem, načrtovanjem, vodenjem. 6. Dodatne vsebine Učenci: preverijo delovanje modela koračnega motorja; krmilijo koračni motor; spoznajo pomen nekaterih drugih analognih čutilnikov; spoznajo vlogo tranzistorja pri vklopu in izklopu električnega porabnika z digitalnimi stanji logične 0 in 1; poznajo vlogo in uporabo analognega izhoda in ga primerjajo z digitalnim izhodom; uporabijo tranzistor za zvezno krmiljenje obratov enosmernega motorja z analognim izhodom; primerjajo digitalno in analogno krmiljenje in uporabnost obeh načinov; ugotovijo princip delovanja elektromagnetnega releja; uporabijo dva releja za krmiljenje enosmernega motorja; povežejo kombinacije logičnih stanj s stanji vrtenja motorja; spoznajo osnovne digitalno podane informacije; ugotovijo, da je za analogni izhod potrebna pretvorba iz digitalnega v analogno; ugotovijo, da je za analogni vhod potrebna pretvorba iz analognega v digitalno. 73

75 Priloga 2: Primer risbe, katere repliko želimo narisati 74

76 Priloga 3: UČNI LIST: Uvod v robotiko S pomočjo interneta in različne literature poišči tri različne robote in jih opiši. V pomoč pri zapisovanju ugotovitev naj ti bo spodnja predloga. 75

77 Priloga 4: Učni list: Elektromotor 1. Smer vrtenja elektromotorja Sestavi električno vezje z elektromotorjem, nariši shemo in ugotovi, v katero smer se vrti elektromotor. Na shemah še doriši smer električnega toka. Nato zamenjaj priključka na bateriji. Kaj opaziš? 2. Uporaba stikal za spreminjanje smeri vrtenja elektromotorja Sestavi električno vezje, s katerim lahko krmiliš smer elektromotorja. Uporabi dve menjalni stikali, elektromotor, baterijo in vodnike. V pomoč naj ti bo spodnja shema. Shema motorja z menjalnim stikalom motor miruje. Nato izpolni preglednico stanj stikal. Pri tem upoštevaj legendo. Če se bo motor vrtel v smeri urinega kazalca, zapišemo»urno«, v nasprotnem primeru pa»protiurno«. Kaj opaziš? 76

78 Učni list: Elektromotor rešitev 1. Smer vrtenja elektromotorja Sestavi električno vezje z elektromotorjem, nariši shemo in ugotovi, v katero smer se vrti elektromotor. Na shemah še doriši smer električnega toka. Nato zamenjaj priključka na bateriji. Kaj opaziš? Odgovor: Pred sklenitvijo električnega kroga ne vemo, v katero smer se bo motor zavrtel. Ko zamenjamo pola električne napetosti (pola baterije), se začne motor vrteti v drugo smer. Smer vrtenja motorja določa smer električnega toka skozenj. 2. Uporaba stikal za spreminjanje smeri vrtenja elektromotorja Sestavi električno vezje, s katerim lahko krmiliš smer elektromotorja. Uporabi dve menjalni stikali, elektromotor, baterijo in vodnike. V pomoč naj ti bo spodnja shema. Shema motorja z menjalnim stikalom motor miruje. Nato izpolni preglednico stanj stikal. Pri tem upoštevaj legendo. Če se bo motor vrtel v smeri urinega kazalca, zapišemo»urno«, v nasprotnem primeru pa»protiurno«. Kaj opaziš? 77

79 Odgovor: Ugotovimo, da motor miruje, če sta obe stikali bodisi nesklenjeni bodisi sklenjeni. Kadar sta stikali v različnih stanjih, pa se motor vrti. Na ta način preprosto krmilimo motor. Shema motorja z menjalnim stikalom motor se vrti. 78

80 Priloga 5: Navodila za izvedbo vaje: Dvigalo Sestavi model dvigala (glej navodila za sestavljanje, ki so priložena konstrukcijski zbirki str ). Dvigalo naj se dviga, ko pritisneš prvi gumb in spušča, ko pritisneš drugi gumb. Če ni pritisnjen noben gumb, naj dvigalo miruje. Razmisli in odgovori: Na kakšen način spremenimo vrtenje v premo gibanje in obratno? Katero gonilo zmanjša število vrtljajev elektromotorja pri sestavljenem dvigalu? Navodila za izvedbo vaje: Dvigalo Rešitev Sestavi model dvigala (glej navodila za sestavljanje, priložena konstrukcijski zbirki str ). Dvigalo naj se dviga, ko pritisneš prvi gumb, in spušča, ko pritisneš drugi gumb. Če ni pritisnjen noben gumb, naj dvigalo miruje. Razmisli in odgovori: Na kakšen način spremenimo vrtenje v premo gibanje in obratno? Odgovor: Spremembo gibanja iz vrtenja v premo gibanje in obratno nam omogoča zobata letev. Katero gonilo zmanjša število vrtljajev elektromotorja pri sestavljenem dvigalu? Odgovor: Dvigalu zmanjša število vrtljajev polžasto gonilo, ki deluje tudi samozaporno, zato dvigalo ne pade pod lastno težo. 79

81 Priloga 6: Učni list: Vožnja naravnost Po navodilih, ki so priložena konstrukcijski zbirki Lego Mindstorms, sestavi osnovni model robota. Nato v programu NXT G napiši ustrezne programe, jih prenesi na model robota in preizkusi. 1. Napiši program, da se robot premakne naravnost naprej, tako da se pogonski kolesi zavrtita trikrat. Robot naj se premika naprej pri 75 % moči. 2. Robot naj se premakne nazaj 1080 stopinj, z močjo 75 %. 3. Robot naj se premika naprej dve sekundi, s 75-odstotno močjo. 4. Robot naj se premika naprej, hkrati pa naj zavije desno za 230 stopinj, z močjo 75 %. 5. Odgovori na vprašanja: a. S kakšnimi težavami si se soočil pri tej nalogi? b. Kaj je po tvojem mnenju vzrok teh težav? c. Kako bi lahko te težave odpravil? d. Kolikšno razdaljo prepotuje robot, če se pogonski kolesi zavrtita za 1 obrat? e. Koliko obratov mora narediti kolo, da robot prepotuje razdaljo 50 cm? f. Primerjaj razdaljo, ki jo je robot prepotoval v 1. nalogi, z razdaljo, ki jo je prepotoval v 2. nalogi. Kaj ugotoviš? 80

82 Učni list: Vožnja naravnost Rešitev Odgovori na vprašanja: a. S kakšnimi težavami si se soočil pri tej nalogi? b. Kaj je po tvojem mnenju vzrok teh težav? c. Kako bi lahko te težave odpravil? Pri vprašanjih a, b in c ni možno zapisati rešitev, ker jih je več in so glede na posameznega učenca, lahko različne. d. Kolikšno razdaljo prepotuje robot, če se pogonski kolesi zavrtita za 1 obrat? Odgovor: Če poznamo premer kolesa, lahko izračunamo njegov obseg. Obseg kolesa pa nam pove, kolikšno razdaljo prepotuje robot, če se pogonski kolesi zavrtita za 1 obrat. o = πd, pri čemer je o = obseg kolesa, π = 3,14 in d = premer kolesa e. Koliko obratov mora narediti kolo, da robot prepotuje razdaljo 50 cm? Odgovor: Razdaljo 50 cm delimo z obsegom pogonskih koles. f. Primerjaj razdaljo, ki jo je robot prepotoval v 1. nalogi, z razdaljo, ki jo je prepotoval v 2. nalogi. Kaj ugotoviš? Odgovor: Razdalji sta enaki. Ker je kolo robota krog, lahko govorimo tudi o stopinjah vrtenja koles. En obrat kolesa tako ustreza 360-tim stopinjam. 81

83 Priloga 7: Slikovni vodnik programiranja robota NXT 1. Robot se premakne naravnost naprej, tako da se pogonski kolesi zavrtita trikrat. Robot naj se premika naprej pri 75 % moči. 2. Robot naj se premakne nazaj za 1080 stopinj, z močjo 75 %. 3. Robot naj se dve sekundi premika naprej, s 75-odstotno močjo. 4. Robot naj se premika naprej, hkrati pa naj zavije desno za 230 stopinj, z močjo 75 %. 82

84 Priloga 8: Primer slalomske proge CILJ START količki Robot naj prevozi progo tako, da se premika po zunanji strani količkov. Med vožnjo se količkov ne sme dotakniti. 83

85 Priloga 9: Učni list: Raziskovalec Sestavite in nato programirate robota, ki bo»raziskoval«svojo okolico. Pri tem naj robot poskuša»videti«ovire, ki so mu v napoto, preden se vanje zaleti. Ko robot opazi oviro, naj se ustavi in»pogleda«levo in desno, da ugotovi, v kateri smeri naj nadaljuje svoje raziskovanje. V primeru, da ovire na svoji poti ne vidi in se zaleti vanjo, naj odbijač robota sproži senzor dotika, da se robot ustavi, zapelje malce nazaj in spet pogleda levo in desno, da ugotovi, v kateri smeri naj nadaljuje svoje raziskovanje. Pri programiranju robota upoštevajte naslednje korake: robot naj pelje naravnost, dokler ultrazvočni senzor ne zazna ovire; ko robot zazna oviro, naj se ustavi, obrne glavo levo in desno; robot naj nadaljuje pot v smeri, kjer ni ovire oziroma ima največ prostora; če robot udari ob oviro, naj se zapelje malce nazaj, se ustavi, pogleda levo in desno ter pot nadaljuje v smeri, kjer ni ovire oziroma ima največ prostora. 84

86 Priloga 10: Učni list: Sledenje črni črti Sestavi in programiraj robota, ki bo v najkrajšem času prevozil označeno pot. Za programiranje robota uporabi grafični program NXT-G. Kalibracija svetlobnega senzorja Program, ki ga moraš zapisati, da boš robota pripeljal po označeni poti, temelji na odčitku svetlobnega senzorja. Na osnovi tega, kar svetlobni senzor odčita, robot prilagodi moč motorja. Svetlobni senzor je treba zato najprej kalibrirati (umeriti), glede na labirint, ki ga mora prevoziti robot. Tako moraš najprej odčitati vrednost, ki jo svetlobni senzor prejme pri odboju od bele barve (največ = najsvetlejše), nato še od črne barve (najmanj = najtemnejše). Razporeditev barve Tako nastaviš meji med barvama. Modul NXT si bo zapomnil številke, ki mu jih sporoči svetlobni senzor, in sicer bo najmanjša pričakovana vrednost sporočena kot 0 (črna barva) in največja kot 100 (bela barva). Kalibracijo izvedeš iz programskega okolja (calibrate.rbt) ali pa na modul NXT naloži program calibrate.rxe. Rezultate kalibracije si modul NXT zapomni, dokler senzorja ponovno ne umeriš. To narediš, če želiš npr. robota uporabiti pri drugačni osvetlitvi prostora. Pri tem pa samega programa ni treba spreminjati. 85

87 Učni list: Sledenje črni črti primer rešitve Na spodnji sliki je prikazan primer delovanja programa sledenja črni črti, ki znotraj zanke večkrat preveri vrednost svetlobnega senzorja in vrne število med 0 in 100, odvisno od odčitka tipala. Primer programa sledenja črni črti. Robot je pri vrednosti 50 osredotočen na mejo med črno in belo, pri vrednosti večji od 50 zavije desno (poveča se moč delovanja motorja B in sočasno zmanjša moč levega motorja C), pri manjši od 50 pa levo (poveča se moč delovanja motorja C in sočasno zmanjša moč delovanja desnega motorja B)(glej sliko spodaj). Cilj robota pa je, da pelje s čim manj nihanj, da se drži vrednosti 50. Za boljše rezultate je treba robota zagnati blizu desnega roba črte. Branje svetlobnega senzorja. Robot se pri izvajanju tega programa ves čas giblje levo in desno, četudi je črta, ki ji sledi popolnoma ravna, ves čas preverja vrednosti svetlobnega senzorja. 86

88 Priloga 11 Učni list: Semafor Spoznajmo se z vmesnikom Arduino Uno. Na zgornji in spodnji strani (če ga gledamo obrnjenega, kot je na sliki) ima veliko luknjic, ki jim pravimo pini. Na Arduinove pine lahko priklapljamo različne stvari. Da nanj priključimo LED, potrebujemo dva: enega, na katerem piše GND (takih je več izberemo lahko kateregakoli) in enega, ob katerem piše + 5 V. V elektroniki negativnemu polu rečemo ničla ali zemlja (v angleščino ground okrajšava GND). Pri pozitivnem polu pa dopišemo napetost (npr. + 5 V). Za testna vezja uporabljamo testne plošče. Zdaj Arduinov pin GND povežimo z modro vrstico na testni plošči in + 5 V z rdečo. Pri tem pazimo, če ju vtaknemo v isto, lahko pokvarimo Arduina. V vezjih, ki jih bomo sestavljali, bomo morda večkrat potrebovali GND in + 5 V, zdaj smo si ga namnožili : vsi pini ob robovih zdaj ponujajo GND in + 5 V. 87

89 Naloga 1: V testno ploščo zatakni upornik in diodo ter poveži tako, da bo elektrika tekla od + 5 V skozi diodo, skozi upornik in naprej v GND (glej sliko spodaj). Če dioda ne sveti, preveri, ali je pravilno obrnjena, ali si Arduino priključil prek USB-ja na računalnik in je torej vklopljen (da je, bo pokazal tako, da bo na njem svetila kakšna lučka), ali dioda deluje in ali uporabljaš prave pine na Arduinu. Naloga 2: Če želimo, da led dioda utripa, jo moramo vklapljati in izklapljati. Kako bi to naredili, da bi to namesto nas opravljal vmesnik Arduino Uno? Najprej moramo led diodo vezati na pin, ki ga lahko kontroliramo s programom. Izberimo npr. D3 (oziroma številko 3 na pinih, ki so označeni z besedo DIGITAL slika spodaj). 88

90 Če LED dioda sveti, je odvisno od tega, ali je na D3 + 5 V (temu rečemo, da je pin v stanju HIGH) ali pa je na D3 0 V (kot na GND, temu rečemo, da je pin v stanju LOW). Kaj bo na D3, določamo s programom, ki ga moramo še napisati, zato na računalniku zaženemo okolje za pisanje programov v Arduinu. Pojavi se okno s praznim programom. Znotraj zavitih oklepajev pri setup-u napišemo, kaj naj Arduino stori, ko ga vklopimo (ali ko mu pošljemo program), znotraj tistih pri loop-u pa, kaj naj potem stalno počne, dokler ga ne ugasnemo ali pa mu pošljemo kakšen drug program. Ker je ta program še prazen, ga bomo spremenili tako, da bo na začetku, ko se začne izvajati, prižgal LEDico, ki je pripeta na pin 3. Za to je potrebno Arduinu naročiti, naj bo pin 3 izhodni. Pine lahko namreč uporabljamo za vhod ali izhod. Na izhode pripnemo diode, motorje, zvočnike, skratka stvari, ki jim lahko Arduino sporoči, naj svetijo, se vrtijo in piskajo. Na vhode pa priklapljamo senzorje, mikrofone, tipke in podobne stvari, ki Arduinu povedo, ali kaj vidijo, slišijo, ali pa jih kaj tišči. Če želimo, da bo pin 3 namenjen izhodu, določimo tako, da napišemo ukaz pinmode. Ukaz ima dva argumenta, prvi je številka pina, drugi je vloga. Vloga je lahko OUTPUT ali INPUT. Pri pisanju programov je treba paziti na pisanje malih in velikih črk, saj v nasprotnem primeru Arduino ukazov ne bo prepoznal. Na konec ukaza zapišemo podpičje. Zdaj dodamo ukaz digitalwrite, s katerim na pin nekaj»zapišemo«. Tudi 89

91 ta ukaz ima dva argumenta; prvi pove, na kateri pin pišemo, drugi pa, kaj pišemo (LOW ali HIGH). Če je HIGH, bo dioda svetila in če LOW bo ugasnila. Preden prenesemo program na Arduina, v meniju Tools pogledamo pod Board in izberemo Arduino Uno. Nato v meniju Tools izberemo Port in poiščemo tisto izbiro, pod katero se pojavi naš Arduino Uno. Če ga ne vidimo nikjer in se pokažeta le COM1 in COM4, izberemo eno izbiro. S klikom na ikono s puščico v orodni vrstici zgoraj, bo računalnik prevedel naš program v obliko, v kateri ga lahko razume in izvaja Arduino ter ga bo s pomočjo kabla USB prenesel na Arduina, kjer se bo program takoj začel izvajati. V primeru napake programa, nam računalnik v spodnjem delu okna z rdečo označi napako, ki jo je treba popraviti. Ker program deluje tako hitro, da prižiganje in ugašanje LED diode sploh ne opazimo, moramo med prižiganjem in ugašanjem dodati malo pavze. Temu služi ukaz delay, ki ima samo en argument čas čakanja v milisekundah. Če želimo, da program počaka eno sekundo, na mestu, kjer želimo, da program počaka, zapišemo delay(1000). 90

92 Program spet prenesemo na Arduino. LED dioda se prižge in sekundo kasneje ugasne. Če hočemo, da se to ponovi, bomo uporabili loop. V setup-u bomo povedali le, naj pin 3 služi kot izhod, v loop-u pa bomo prižgali diodo, počakali sekundo, ugasnili diodo in počakali sekundo. Naloga 3: Vzemi dve diodi, po možnosti rdeči. Priključi ju na dva različna pina, recimo 3 in 4, ter poskrbi, da bosta utripali kot luči ob spuščeni zapornici na železniškem prehodu. Vedno naj sveti ena ali druga dioda; nikoli obe hkrati in nikoli nobena. Pazi: kadar priklapljaš več diod, potrebuje vsaka svoj upornik. Mimogrede še malo pospešimo hitrost utripanja tako, da skrajšamo čakanje med njima na pol sekunde (500 ms). 91

93 Naloga 4: Vzemi tri diode (po možnosti rdečo, oranžno (ali rumeno) in zeleno) ter sprogramiraj semafor. Ne spreglej, da ima vsaka dioda svoj upor. Na vse upore pripeljemo GND iz modre vrstice. 5 V pa dobi vsaka dioda iz svojega pina. Dali smo jih na pine 3 (rdeča), 4 (oranžna) in 5 (zelena). Seveda bi se lahko odločili tudi drugače. Tu je zapisan še program. 92

94 V setup smo ugasnili vse tri luči. To naredimo v primeru, kadar nismo popolnoma prepričani, v kakšnem stanju bodo na začetku. Kar je zapisano za dvojnimi poševnicami, je namenjeno le nam. Računalnik to preskoči, nam pa pomaga, da se hitreje znajdemo v programu. 93

95 Priloga 12 Učni list: Oblikovanje robotske roke Na sliki poimenujte označene dele robotske roke S pomočjo pripomočkov, ki vam jih je razdelil učitelj, sestavite 2D model robotske roke. Najprej narišite skico, kako bo videti vaš model robotske roke. Za negibljive spoje uporabite sponke za papir, za gibljive spoje pa razcepke za papir. Za odpiranje in zapiranje roke prijemala uporabite elastiko in vrvico. Pri načrtovanju in izdelavi kartonskih modelov robotske roke razmislite: kako boste odpirali in zapirali roko (prijemalo) in kako bo prijemalo pritrjeno na roko. 94

96 Učni list: Oblikovanje robotske roke Rešitev Poimenujte na sliki označene dele robotske roke. 1 rama 2 komolec 3 zapestje 4 roka (prijemalo) S pomočjo pripomočkov, ki vam jih je razdelil učitelj, sestavite 2D model robotske roke. Najprej narišite skico, kako bo videti vaš model robotske roke. Za negibljive spoje uporabite sponke za papir, za gibljive spoje pa razcepke za papir. Za odpiranje in zapiranje roke prijemala uporabite elastiko in vrvico. Pri načrtovanju in izdelavi kartonskih modelov robotske roke razmislite: kako boste odpirali in zapirali roko (prijemalo) in kako bo prijemalo pritrjeno na roko. Primer 2D modela robotske roke: 95