Sisällysluettelo
Menetelmiä robotiikan opetukseen
Robotiikan opetuksen ja oppimisen konsepti - RTLC
Didaktinen konsepti – sulautuva oppiminen
Verkkotestien tekeminen tekniikan opintojaksolla
Oppimistilanteet etälaboratoriokeskuksessa
Robotic HomeLab-robotiikkasarja
Johdanto
Robotiikka on pelottavaa, mutta herättää silti ihmisissä kiinnostusta. Yhteiskunnassa ei ymmärretä sitä, miten paljon arkielämän toiminnot ovat riippuvaisia robotiikasta. Robotit ovat keskuudessamme, mutta eivät kävelevien humanoidien muodossa. Tämä herättääkin kysymyksen – mikä on robotti?
Sille, mitä robotit ovat voi olla monta selitystä, mutta tämän dokumentin yhteydessä tarkoitamme robotilla sensori-ohjain-toimilaite-systeemiä. Sitä voidaan verrata ihmiseen. Meillä on aisteja; haistamme nenällämme, tunnemme kosketuksen ihollamme, näemme silmillämme, kuulemme korvillamme ja maistamme kielellämme. Robotin aisteja kutsutaan sensoreiksi. Robottien ja ihmisten tapauksessa, sensorit ja aistit ovat ainoa tapa havainnoida ympäristöä. Roboteilla on ohjaimia, ihmisellä aivot. Se on meidän ohjainkeskuksemme – informaatio välittyy sensoreista ja aisteista ohjaimeen/aivoihin. Aivot taas tekevät päätöksen saamiensa tietojen perusteella. Päätöksen lopputuloksena voi olla esimerkiksi liike, johon käytämme lihaksiamme. Robotin lihaksina toimivat sen toimilaitteet, kuten esimerkiksi moottorit, jotka täydentävät sensori-ohjain-toimilaite-systeemin.
Robotiikasta on hyötyä teollisuudessa, lääketieteessä ja liikenteessä. Yksi sen käyttöaloista on myös opetus, sillä robotiikka on oppilaille kiinnostavaa ja vaatii kriittistä ajattelua, ongelmanratkaisua, ohjelmointia, suunnittelua ja monia muita taitoja. Silti ilman oikeiden menetelmien käyttöä, ei ole helppoa saada oppilaita käyttämään matematiikkaa ja fysiikkaa, sekä nauttimaan oppimisesta. Oppilaat käyttävät tietokoneita ja muita älylaitteita päivittäin, mutta se ei silti valmista heitä olemaan ohjelmoijia tai informaatiotekniikan insinöörejä. He käyttävät laitteita ainoastaan työkaluina tiedon vaihtamiseen. He eivät luo uutta arvoa, vaikka tietokoneet ovat voimakkaita työkaluja. Robotiikan tapauksessa oppilaat eivät voi vain käyttää robotteja, heidän täytyy rakentaa ja testata niitä. Tämä on tärkeä ero robottien ja tietokoneiden käytön välillä. Jotta laitteistoa pystytään käyttämään, tarvitaan oikeanlaisia menetelmiä. Tässä dokumentissa esitellään joitain niitä menetelmiä, joita käytetään opetuksessa maailmanlaajuisesti ja erityisesti Virossa, Suomessa, Ruotsissa ja Iso-Britanniassa. Lisäksi esittelemme niitä tapoja, joilla robotiikkaa on sisällytetty koulujen opetukseen. Toivottavasti saat uusia ideoita ja lähestymistapoja siihen, miten voisit rikastuttaa opetustasi robotiikan avulla.
Kuva 1. Lapset robottikilpailussa
Tämä dokumentti esittelee käytännön ohjeita erilaisten toimintojen luomiseen, sekä menetelmiä ja ideoita robotiikan käyttämiseen opetus- ja koulutustilanteissa. Esimerkkinä toimiva, Virossa kehitetty, Robotiikka kouluissa-malli kuvaillaan yksityiskohtaisesti ja sen pohjalta annetaan vinkkejä käytännön toteutukseen. Pääkohderyhmänä toimivat ala- ja yläkoulut sekä lukiot, mutta myös ammatillinen koulutus on ajoittain otettu huomioon.
Menetelmiä robotiikan opetukseen
Maailmanlaajuisesti on olemassa useita robotiikka-alustoja, mutta vain vähän opetusmenetelmiä. Luokissa opettajat yleensä käyttävät erilaisten menetelmien yhdistelmiä, tai muuntavat jo olemassa olevia menetelmiä sopimaan paremmin omaan opetukseensa. Opetukseen on olemassa useita lähestymistapoja, jotka voidaan jakaa kuuteen kategoriaan. Seuraavat lähestymistavat tullaan käymään läpi ja esittelemään lyhyesti:
Following approaches will be shortly introduced and discussed:
- oivaltava oppiminen
- yhteisöllinen oppiminen
- ongelmalähtöinen oppiminen
- projektioppiminen
- kilpailuperustainen oppiminen
- oppivelvollisuus oppiminen
- tutkimusperustainen oppiminen
Oivaltava oppiminen
Tämä lähestymistapa on esitellyistä tavoista kaikkein aikaavievin. Menetelmänä se on avoin ja lähes vapaa kaikesta ohjauksesta.
Yhteisöllinen oppiminen
Tätä lähestymistapaa voi käyttää lähes minkä tahansa muun tavan kanssa opetuksellisessa robotiikassa. Avainasemassa on kommunikaatio oppilaiden tai oppilasryhmien välillä.
Ongelmalähtöinen oppiminen
Ongelmanratkaisu on väistämätöntä robottien ollessa kyseessä. Uutta järjestelmää rakentaessaan, insinööri havaitsee viat pilotointivaiheessa. Fyysisten esineiden kanssa toimittaessa ongelmanratkaisun ei tulisi olla kytköksissä käyttötapaan, kuten esimerkiksi ohjelmointikielen lauseoppiin.
Projektioppiminen
Projektioppimisen eri tehtävät jaetaan oppilastiimeille. Tehtävät voivat sisältää tutkimista tai etsimistä. Tällä menetelmällä on vahva yhteys yhteistyössä toimimiseen.
Kilpailuperustainen oppiminen
Kilpailuperustainen oppiminen on yksi käytetyimmistä opetuksen muodoista opetuksellisessa robotiikassa. Oppilaat osallistuvat kilpailuihin itse tekemillään roboteilla. Valmistautuessaan kilpailuun, oppilaat rakentavat ja testaavat laitteistoa, sekä ohjelmia.
Oppivelvollisuuteen perustuva oppiminen
Oppivelvollisuusoppiminen on vähemmän käytetty menetelmä ja on epätavallista, että robotiikkaa käytetään osana opetussuunnitelmaa. Tämä menetelmä sopii käytettäväksi, kun halutaan että oppilaat tulevat tietoisiksi omista taidoistaan työskennellessään robottien kanssa.
Tutkimusperustainen oppiminen
Tutkimusperustaista oppimista voidaan pitää lupaavana lähestymistapana, jolla voidaan lisätä robotiikan opettelun tehokkuutta. Tutkimusperustainen oppiminen on itsessään erittäin itseohjautuva ja konstruktivistinen lähestymistapa, jossa oppiminen ja keksiminen tapahtuu kokeiden ja havainnoinnin kautta.
Robotiikan opetuksen ja oppimisen konsepti - RTLC
Didaktinen konsepti – sulautuva oppiminen
Konseptin didaktinen osa koostuu strategiasta jolla sulautuva oppiminen aiotaan tuoda osaksi päivittäistä opetusta ja oppimateriaaleja. Kuviot 2 ja 3 havainnollistavat sitä yhteyttä, joka teknisen konseptin osilla on sovellettuun pedagogiseen konseptiin. Kuvio 2 perustuu kahteen rooliin, ”opettaja/ohjaaja” ja ”oppilas/oppija”, joiden risteymäkohdassa on ”erinomaisuuden verkosto” (Network of Excellence, NoE). Opettajan työkalut koostuvat opetusmenetelmistä, pedagogisesta yhteistyöstä muiden opettajien kanssa kansainvälisellä alustalla, sekä ohjaajakohtaisesta sisällöstä, Jotka ovat saatavilla NoE:n ja opettajankoulutuksen kautta (esimerkiksi ohjaajankoulutusseminaarit) ja joilla vahvistetaan opettajan tietoja saatavilla olevista työkaluista ja sisällöistä.
Kuvio 2. Didaktinen yleiskuva Robotiikan opetuksen ja oppimisen konseptista (RTLC)
Kuvio 3. Konseptin eri tasojen yhtenäisyys
Verkkotestien tekeminen tekniikan opintojaksolla
Etäkäyttöiset laboratoriot, joissa oppilaat voivat internetin välityksellä valvoa ja hallita oikeita fyysisiä laboratoriolaitteita, tarjoavat toteuttamiskelpoisen vaihtoehdon yksittäisille kokeellisille laboratoriorakennussarjoille. Etäkäyttöinen testaus virtuaalisessa tilassa mahdollistaa niin yksilöllisen, kuin ryhmätyöskentelynkin.
Etälaboratorioportaali
Nykypäivän insinööritaitojen opetus vaatii mahdollisuuden suorittaa tieteellisiä kokeita etäkäytön avulla. Tässä kappaleessa kuvaillaan etälaboratoriojärjestelmä DistanceLab:n toiminta ja esitellään sen yhteyksiä oppimis- ja opetusvälineisiin. DistanceLab e-ympäristö (http://distance.roboticlab.eu) on osa yllä kuvattua robotiikan opetuksen ja oppimisen konseptia ja siitä löytyy lisätietoa täältä [3], [4]. Konsepti tarjoaa laajan valikoiman välineitä ja menetelmiä sulautettujen järjestelmien ja robotiikan tehokkaaseen ja interaktiiviseen opettamiseen, sekä viimeisimpien verkkoteknologioiden hyödyntämiseen.
Kuvio 4. DistanceLab e-ympäristön rakenne
Laboratorio koostuu useasta samanlaisesta laitteesta, jotka ovat yhteydessä toisiinsa joko langallisilla, tai lyhyen kantaman langattomilla kommunikaatiomoduuleilla. Tapahtumapaikka on varustettu reaaliaikaisella kameralla ja palvelimella, joka kommunikoi robottien kanssa. Palvelin sisältää pääkommunikointiyksikön, joka voi ottaa yhteyden mihin tahansa kentällä olevaan robottiin ja uudelleen ohjelmoida sen tarpeen tullen. Sivuston palvelin on yhteydessä portaalin palvelimeen, välittäen ja vahvistaen kommunikaatiota robotin ja käyttäjän välillä. Etälaboratorioportaali tarjoaa täysin valmiin hallinta- ja ohjelmointiympäristön etäkäyttöisiä laboratorioita varten, oli sitten kyseessä etä- tai virtuaalilaboratorio. Etälaboratorioon liittyvät toiminnot ovat:
- käyttäjien ja ryhmien hallinta
- paikan, laboratorion ja laitteiden hallinta
- lähdekoodin vahvistaminen ja versioiden hallinta
- langaton kommunikointi laitteiden kanssa
- laitteiden varaaminen ja varausoikeudet
Oppimistilanteet etälaboratoriokeskuksessa
Kyseessä on uusi oppimisympäristö joka tukeutuu itsenäiseen oppimiseen ja ongelmanratkaisuun. Sen avulla pyritään tukemaan yksilöllistä oppimista ja esittelemään ongelma kokonaisuutena. Tiedot ja taidot tarjotaan käytännön toiminnan ja tuloskeskeisen oppimisen kautta, ei vain toteavilla esityksillä.
Robotiikan rakennussarjat
Katsaus erilaisiin rakennussarjoihin ja niiden sijoittuminen eri koulutustasoille.
Kuvio 5. Eri robotiikan rakennussarjojen sijoittuminen koulutustason mukaan
LEGO Mindstorm
LEGO Mindstorm on luultavasti yksi käytetyimmistä robotiikan rakennussarjoista opetuskäytössä. Se sisältää yksinkertaisen ohjaimen, jonka voi yhdistää moottoreihin ja sensoreihin.
Kuvio 6. Mindstorm EV3 robotiikkasarja
Kuvio 7. Mindstorm EV3 graafinen ohjelmointiympäristö LabVIEW:ssa
Robotic HomeLab-robotiikkasarja
Robotic HomeLab on AVR-mikro-ohjaimiin perustuva, toisiinsa liittyvien moduulien sarja, joka toimitetaan kannettavassa säilytyslaukussa. Sen avulla voidaan toteuttaa monenlaisia mekatronisia ja robottiteknisiä kokeita ja tehtäviä, lähtien yksinkertaisesta vilkkuvasta valosta aina monimutkaisten laitekokonaisuuksien rakentamiseen.
Kuvio 8. Robotic HomeLab-rakennussarja
Arduino Starter-rakennussarja
Arduino Starter-rakennussarjassa käydään perusteellisesti läpi Arduinon käytön perusasiat, käytännön esimerkkien avulla. Rakennussarja koostuu useasta luovasta projektista ja se sisältää valikoiman yleisimpiä ja hyödyllisimpiä elektronisia komponentteja, sekä kirjan jossa esitellään 15 erilaista projektia. Lähtien liikkeelle yksinkertaisesta elektroniikasta edeten monimutkaisempiin projekteihin, rakennussarja auttaa sinua hallitsemaan fyysistä maailmaa sensorien ja ohjainten avulla.
Kuvio 9. Arduino Starter-rakennussarja
Raspberry Pi
Raspberry Pi on sarja luottokortin kokoisia yhden kortin tietokoneita, joiden kehittämisestä vastaa brittiläinen Raspberry Pi Foundation ja jotka on suunniteltu edistämään tietotekniikan perusteiden opetusta kouluissa
Kuvio 10. Raspberry Pi robotti
Yhteiskunta ja robotiikka
Robotiikka-ala on viime vuosikymmenten aikana herättänyt useiden opetukseen, tieteeseen ja teollisuuteen liittyvien toimijoiden kiinnostuksen. Enimmäkseen 1960-luvun Amerikasta alkaneen valtavan kasvun ja leviämisen seurauksena ja johtuen sen kiistattomasta panoksesta tieteelle, teknologialle ja yhteiskunnalle, robotiikan tutkimus jatkaa edelleen vaikutustaan melkein kaikilla ihmiselämän osa-alueilla. Robotiikan tutkimuksen ja teknologian sovellukset voidaan jakaa eri osa-alueisiin, kuten tuotanto, terveydenhuolto jne., joissa kaikissa robotiikan käytöllä on merkittäviä hyötyjä.