Een Doorlopende Leerlijn Voor Robotica

1

Een doorlopende leerlijn

voor Robotica

Robotica op school

Peter van Lith

5 November 2009

Doelstelling

• Inzicht in de opbouw en didactische achtergronden van robotica

onderwijs in Nederland

– Basisschool

– Middelbaar onderwijs

– Hoger onderwijs

– Opleidingen van docenten

– Workshops voor leerlingen

– Begeleiding leerlingen projecten

• RoboCup Junior Nederland is op zoek naar docenten die meer

willen doen met robotica

2

Inhoud

• Techniek in het Onderwijs

• Robotica op school

• Primair Onderwijs

• Voortgezet Onderwijs

• Hoger Onderwijs

• Universitair Onderwijs

3

Keuze voor techniek

• In vrijwel alle Europese landen daalt de instroom van technische

studies.

• Dank zij veel maatregelen is de daling minder geworden

• We willen kinderen meer vertrouwd maken met wetenschap en

techniek

• RoboCup Junior doet dat door kinderen vertrouwd te maken met

het ontwerpen, bouwen en programmeren van robotjes

• Dat vinden ze leuk en interessant

• Maar leidt nog niet tot keuze voor een technisch vak

4

5

Waarom Robotica

• Robotica is leuk en interessant

• Ontwerpen, Construeren en Programmeren

• Robotica breed vakgebied:

– Werken in Teamverband

– Toepassing van:

• Natuurkunde, Biologie, Psychologie

• Wiskunde, Informatica

• Een breed scala aan onderwerpen

– Mechanica & Engineering

– Elektronica & Control

– Sensoren & Communicatie

6

Waarom Voetbal

• Schaken is lang het onderzoeksonderwerp voor

AI geweest

• We hebben meer nodig dan alleen redeneren

• Zoek een uitdagend probleem dat interactie met

de wereld, voortbewegen en redeneren

combineert:

– Win in 2050 met een team van

humanoïde robots van de

wereldkampioen voetbal


• Zorg dat leerlingen snel een eerste resultaat behalen

• Drie verschillende niveau’s

• Geleidelijke overgang van niveau’s

• Leren door te ontdekken

7

Simulator

ProgrammaConceptueel Fysiek

Code Generatie

8

Geleidelijke toename complexiteit

• Conceptueel niveau

– WAT moet de robot doen

– Behaal snel eerste resultaat

– Volg een lijn, zoek de bal etc

• Fysieke niveau

– HOE werkt de robot

– Technische uitleg, theorie komt later

– Besturen motoren, uitlezen sensoren, sensor eigenschappen

• Programma niveau

– UITLEG hoe een programma werkt

– Voorbereiding op echt programmeren

– Tonen van onderliggende code op basis van geleerde technieken

Conceptueel

Fysiek

Programma

9

Gebruik van een simulator

• Testen zonder robot

• Laten zien wat de robot zal doen

• Snellere resultaten

• Ook thuis te gebruiken

Simulator

ProgrammaConceptueel Fysiek

Code Generatie

Verband met andere vakken

• Constructie

– Bouw je eigen robot

• Natuurkunde

– Ruis en onbetrouwbare

sensoren en motoren

– Kalibratie

• Wiskunde

– Beschrijf een spiraal

– Kinematica

• Biologie

– Reactief gedrag

10

11

RoboCup Junior

• Drie niveaus

– Primary 9 – 14 jaar

– Secondary 15 – 18 jaar

– Profielwerkstuk 18 – 19 jaar

• Het motto van de wereldwijde RoboCup Junior Organisatie:

– Creating a learning environment for today

– Foresting understanding among human beings and

– Technology for tomorrow

Voetbal

Rescue

Voetbal

Basis Middelbaar Hoger

Dansen Profielwerkstuk

12

Dansen - Start met patronen

• Ontwerp en bouw een robot

• Kies de muziek uit

• Maak een choreografie

• Ontwerp en maak kostuums

• Voer een show op van 2 minuten

• Maak een video clip

(optioneel)

13

RoboCup Jr Dansen

• Zelf robotje bouwen

• Muziek kiezen

• Choreografie maken

• Kleding maken

• Show opvoeren van 2 minuten

• Veld is 6 x 4 m

• Robot mag niet

over de lijn heen

komen

Rescue- Volg een lijn

Lijnvolgers

– Simple line follower

– Verander speed, angle en color

14

15

Rescue- Volg een lijn

• Volg de zwarte weg

• Neem eventueel de gele

kortere weg

• Zoek het slachtoffer en duw

het naar de kant

• Totaal 1.5 minuut

16

RoboCup Junior Rescue

• Moet het pad volgen

• Daarna het poppetje zoeken

en naar de kant duwen

• Record is 36 sec

17

Voetbal- een uitdaging

• Bouw en programmeer twee robots

• Aanvaller en verdediger

• Actieve electronische bal

• Wedstrijd duurt 2 maal 10 minuten en 5 min rust

18

RoboCup Junior Voetbal

• Zelf bouwen en programmeren

• Gebruik van kits

• Eenvoudig veld

• Actieve bal

• WK 2009 Vossius vs Wolfsbos

Primair Onderwijs





• Hoger Onderwijs


19

Educatieve fasen

• Bouw de robot

– Basis niveau, hulp van docenten

– VO niveau, leerlingen doen het zelf

• De basis cursus

– Gebruik van de simulator

– Testen met de robot

• De Rescue cursus

– Gebruik van de simulator

– Verschillende velden

20

Conceptueel - Wat is het probleem

• Concentratie op WAT gedaan moet worden

• Beginnen met Rescue / Dance

• Voetbal is volgende stap

• Dance is ook interessant voor leerlingen

met minder interesse in techniek

21

Het Conceptuele Niveau

• Concentreren op WAT er gedaan moet worden

• Ook aantrekkelijk voor niet-beta leerlingen

• Beginnen met Rescue

• Whizzkids gaan snel naar het Fysieke niveau

• Andere leerlingen kunnen op het Conceptuele niveau blijven

• Voetbal is de volgende logische stap

• Dansen is ook aantrekkelijk voor leerlingen

die weinig interesse in technologie

hebben

22

Lijnvolgers

• De lijnvolger doet bijna al het werk al

• Wat leer je dan nog ?

– De stop conditie

– Het instellen van de parameters

– De werking van de lijnvolger

• Hoek afbuiging

• Snelheid

• Acceleratie

23

Kalibratie

• Het is belangrijk te begrijpen hoe de sensoren omgaan met de

overgang van groen naar zwart

24

Voortgezet Onderwijs





• Hoger Onderwijs


25

Onderbouw VO

• Zelf een lijnvolger maken

– Sensoren uitlezen

– Motoren starten / stoppen

– Snelheid en hoek regelen

• Kennis uit conceptuele niveau gebruiken

26

Fysiek – Hoe werkt het

1. Programmeren

2. Het gebruik van Variabelen

3. Het gebruik van Subroutines

4. Sensoren

Bouw je eigen lijnvolger

27

Rescue - Fysiek

28

• De eerste lijnvolger

• Automatische kalibratie

• Handmatige kalibratie

Hele School

29

WK 2006

• 2 Scholen: Vossius

Amsterdam en Mendel

Haarlem

• Hadden geen

werkende robot

• Testen net als bij

volwassenen

• Veel hacken en op het

laatste moment nog

veranderen

• Werden na iedere

ronde beter

• Eindigden als tweede

30

WK 2009

• 4 Scholen: Vossius Amsterdam en Mendel Haarlem, Cosmicus

Rotterdam en Wolfsbos Hogeveen

• Vossius eindigde als tweede

• Andere teams hadden veel problemen

31

Voortgezet Onderwijs - Bovenbouw




• Voortgezet Onderwijs Bovenbouw

• Hoger Onderwijs


32

Programma Niveau

• Leerlingen willen zelf dingen gaan maken

• Geen Iconen meer maar ‘echt’ programmeren

– NQC/NXC of Java

• Liever ook geen Lego meer

33

Programma niveau

• Programma geschreven in Java

• Simulator voert code uit

• Programmeer Rescue en Voetbal programmma’s

• Voorbereiding op écht programmeren

• Meer technische robot

34

NLT Robotica

• Rescue is basis voor de lessen

– FleeBehavior en CuriousBehavior

– Parcours volgen via programma

– Lijnvolger

– Reactive Behavior

– Objecten zoeken

– Met een bal spelen

– Eindopdracht zelf een

heel programma maken

35

ITSLab

• In het ITSLab projecten uitvoeren aan de Universiteit

– JoBot Junior

– JavaCam

– Lego NXTCam

– RoboNova

36

Zelfbouw

• Dat smaakt naar meer

37

Helpen van Leerlingen

• Meer ervaren leerlingen helpen de beginners

• Jan ten Bokkel en Bas van Ijzendoorn van MendelCollege in

Haarlem bouwden zelf een simulator voor NQC/NXC

• Deze simulator wordt nu op school gebruikt

38

Profiel Werkstukken

• Met Lego zelf een plotter bouwen

• Geprogrammeerd in Java met de Java Simulator

39

Hoger Onderwijs





• Hoger onderwijs


40

Gebruik van camera als sensor

• Is heel moeilijk

• Waar ben ik

• Waar is het doel en

de bal

• Waar zijn de spelers

JavaCam Project

• JavaCam project met camera op robotje

• Java sofware in simulator

42

JavaCam

• Beeldanalyse in Simulator

43

Universitair Onderwijs






44

Docenten vs Leerlingen

• De meeste NLT docenten hebben

moeite met ICT

• Veel scholen hebben problemen

met het installeren van software en

hardware

• Leerlingen hebben hier vaak veel

minder problemen mee

• Gebruik ervaren leerlingen om

andere leerlingen te helpen

45

Cursussen voor docenten

• RoboCup cursussen op Conceptueel en Fysiek niveau

• NLT Robotica module in Java / Eclipse

• Science Labs met hele klas

• MasterClass met heel team

46

MasterClasses voor leerlingen

• Leerlingen die meer willen, kunnen een masterclass volgen

aan de Universiteit van Amsterdam

• Hulp bij speciale projecten

• Beschikbaarheid van materialen

• Verschillende soorten robots

47

Speciale projecten

• Profielwerkstukken of eigen ontwerp

48

Voetballende robotjes

• Kleinere robots zijn stabieler te maken

Speciale opdrachten

• Ingooien van de bal

50

Voetballende robots

• Doelpunten maken

51

52

Mensen vs Robots

• De mensen krijgen het al moeilijker

De workshop

• 8 lessen in 2 fasen

• Deel 1 – De simulator

– Rijd rechtuit

– Stop op de zwarte lijn

+ kalibratie

– Volg de zwarte weg

• Deel 2 – Het robotje

– Volg de zwarte weg

– Zoek het blikje

– Volg de gele weg

De workshop

• Workshop met RoboPAL-4-NXT

• Conceptueel niveau

• In een uur tijd leer je de rescue

wedstrijd te programmeren

• Het rescueveld heeft een aantal

moeilijke punten

• Leerlingen hebben vaak niet door

wat er verkeerd gaat

Doelstelling

• RoboCup Junior Nederland is op zoek naar docenten die meer

willen doen met robotica

• Regionale steunpunten en wedstrijden

• Organisatie nationale kampioenschappen

• Begeleiding leerlingen die zelf een robot willen bouwen

• Informatie:

[email protected]

55


voor Robotica

Robotica op school

Peter van Lith

5 November 2009

Een Doorlopende Leerlijn Voor Robotica

Education

Transcript of Een Doorlopende Leerlijn Voor Robotica