Milline Raspberry Pi robotikomplekt õpetab kodeerimist?
Mitmed raspberry pi robootikakomplektid õpetavad kodeerimist struktureeritud õppekavade kaudu, mitte ei paku lihtsalt programmeeritavaid funktsioone. GoPiGo3, XRP Platform, SunFounder PiCar-X ja Picobricks paistavad silma oma haridusraamistike poolest, toetades üleminekut plokk-põhiselt kodeerimiselt Pythoni kaudu.
Erinevus komplekti vahel, mida saate programmeerida, ja komplekti, mis õpetab programmeerima, on tohutult oluline. Pärast kümnete platvormide ja nende tegelike õppematerjalide analüüsimist langeb enamik komplekte murettekitavasse mustrisse: need on õhukese dokumentatsiooniga programmeeritavad mänguasjad, mitte õppevahendid. Vanemad kulutavad 150–300 dollarit, oodates, et nende laps õpiks kodeerima, et avastada vaid mõned näidisskriptid ja puudub selge tee edasi.
Kodeerimishariduse lõhe mõistmine
Mitte kõik "programmeeritavad" robotid ei õpeta programmeerimist. See eristus köidab enamiku ostjaid.
Programmeeritav komplekt pakub API-d või liidest, kuhu saate selle juhtimiseks koodi kirjutada. Õppekomplekt koosneb õppetundidest, väljakutsetest ja edusammudest, mis arendavad süstemaatiliselt arvutusliku mõtlemise oskusi. Esimene annab teile tööriistad; viimane näitab, kuidas mõelda.
Worcesteri Polütehnilise Instituudi OpenSTEM platvormi uuringud näitavad, et õpilased vajavad 15–25 tundi struktureeritud juhendamist, enne kui nad saavad iseseisvalt luua sisukaid robotprogramme. Kuid enamik tarbijatele mõeldud robootikakomplekte pakub alla kolmetunnise õppematerjali.
Kodeerimiskeel on vähem oluline kui õppimistee. Scratch õpetab visuaalsete plokkide kaudu loogilist mõtlemist. Python loob teksti{2}põhiseid süntaksioskusi. Arduino C++ tutvustab riistvara{5}}taseme juhtimist. Igaühel neist on väärtus, kuid ainult siis, kui komplekt pakub karkassidega seotud väljakutseid, mis muudavad järjest keerukamaks. Robot, mis toetab kõiki kolme keelt ilma struktureeritud tundideta, ei õpeta ühtegi neist tõhusalt.
Parimad Raspberry Pi robootikakomplektid koos täielike õpperaamistikega
Kolm platvormi pakuvad laiaulatuslikku kodeerimisharidust, mitte hajutatud näiteid.
GoPiGo3: klassiruumi standard
Dexter Industries kujundas GoPiGo3 selgesõnaliselt hariduslikuks kasutamiseks ja see näitab. Platvorm toetab Scratch 3, Python ja Blockly, kuid tegelik tugevus peitub operatsioonisüsteemis Raspbian for Robots, mis loob tervikliku õpikeskkonna.
Õppekava hõlmab 40+ struktureeritud tegevust nende veebiportaali kaudu. Õpilased alustavad visuaalse plokkide kodeerimisega, et mõista programmivoogu, seejärel siirduvad Pythonile selgete sillatundidega, mis näitavad, kuidas plokid tõlgivad tekstikoodiks. Iga õppetund tugineb varasematele mõistetele, tutvustades muutujaid, tingimuslauseid, silmuseid ja funktsioone loogilises järjestuses.
Õpetajad teatavad, et õpilased lõpetavad täies mahus 25–35 klassiruumitunniga. Õppekava koostamine sai alguse Dexteri tööst enam kui 400 kooliga, mida täiustati pigem tegeliku klassiruumi kasutamise kui teoreetilise disaini kaudu. Kogu põhikomplekti hind on umbes 250 dollarit.
XRP platvorm: ehitasid FIRST Robotics Veterans
SparkFuni kogemuslik robootikaplatvorm tekkis konsortsiumist, kuhu kuulusid DEKA Research ja Worcester Polytechnic Institute, et lahendada robootikahariduse puudujääke. Platvorm keskendub pigem Raspberry Pi Pico W-le kui täispikale Pi-plaadile, muutes selle keskendunumaks ja algajatele vähem ülekaalukaks.
WPI töötas välja struktureeritud veebimoodulid, mida testiti sadade õpilastega. Õppekava algab Blockly-lohistamise-and-kodeerimisega, edeneb Pythoni kaudu ja kulmineerub WPILib-iga -, mida kasutavad FIRST Robotics Competition meeskonnad. See loob otsese tee esimesest programmist konkurentsivõimelise robootikani.
Umbes 30 tunni jooksul viib õpilasi õpilasi algsest motoorika juhtimisest andurite integreerimise, joone järgimise, takistuste vältimise ja autonoomse otsustus{0}}tegemiseni. Erinevalt komplektidest, kus pead mõtlema, mida ma järgmiseks teen, avab iga moodul uusi väljakutseid, mis nõuavad varasemate kontseptsioonide rakendamist keerukamal viisil.
Õpilased pääsevad platvormile ligi veebibrauseri kaudu ilma tarkvara installimisega seotud peavaludeta. Komplekt maksab ligikaudu 200 dollarit, õpetajatele on saadaval märkimisväärsed allahindlused. Avatud-lähtekoodiga olemus tähendab, et õppekava laieneb kogukonna panuse kaudu.
SunFounder PiCar-X: visuaalne tekstisild
SunFounderi PiCar{0}}X eristub erakordselt selge üleminekuga visuaalsest kodeerimisest tekstipõhisele-kodeerimisele. Komplekt töötab nii Scratchi kui ka Pythoniga, kuid näitab unikaalselt Pythoni koodi ekvivalenti iga Scratchi programmi jaoks reaalajas-.
See paralleelvaade aitab õpilastel mõista, kuidas visuaalsed plokid tõlgivad teksti süntaksiks ilma järsku üleminekut sundimata. Kui õpilane lohistab plokki "liigu edasi", näeb ta Pythoni aknas auto.forward(50). See kognitiivne sild vähendab hirmu, mida paljud õppijad tunnevad esmakordsel teksti-põhise koodiga kokku puutudes.
Kaasasolev dokumentatsioon hõlmab 15 struktureeritud projekti, millest igaüks tutvustab uusi programmeerimiskontseptsioone, tuginedes varasematele õppetundidele. SunFounder pakub ka ulatuslikke videoõpetusi, mis näitavad nii kokkupanemise kui ka programmeerimise etappe, mis on üliolulised visuaalsete õppijate või tehnilise taustata perede jaoks.
Platvorm toetab näotuvastust, värvituvastust ja muid tehisintellekti rakendusi selge näidiskoodi abil, võimaldades keskastme õpilastel pärast põhilise liikumisjuhtimise omandamist arvutinägemist uurida. Komplekti hind on sõltuvalt konfiguratsioonist umbes 200-250 dollarit.
Raspberry Pi robootikakomplektid koos tugevate õppekogudega
Mitmed platvormid pakuvad ulatuslikke kodeerimisressursse ilma ametlike õppekavastruktuurideta.
Freenove 4WD Smart Car sisaldab põhjalikku PDF-i õpetust, mis hõlmab Pythoni programmeerimise põhitõdesid täiustatud kontseptsioonide kaudu. Kuigi dokumentatsioon ei ole vormitud õppetundidena, hõlmab see süstemaatiliselt muutujaid, funktsioone, klasse ja objekt{2}}orienteeritud programmeerimist, mida rakendatakse robootikas.
Mida Freenove teeb eriti hästi: näitab terviklikku ja toimivat koodi keerukate käitumiste jaoks, mitte ainult katkendeid. Õpilased saavad käivitada programme, mis väldivad takistusi või jälgivad joont, ja seejärel uurida koodi, et mõista rakendamist. See "töönäidete" lähenemine sobib iseseisvalt{2}}õppijatele, kes tunnevad end hästi iseseisvalt.
Picobricksi platvorm kasutab täiesti teistsugust lähenemist. Komplekt sisaldab spetsiaalselt algajatele loodud ploki-põhist IDE-d, mis võimaldab õpilastel luua programme pukseerimisega-ja-, kuvades samal ajal samaväärse Pythoni koodi. Süsteem sisaldab 25 liidesesse sisseehitatud algajate projekti.
Picobricks suudab suurepäraselt kõrvaldada seadistustehnilised hõõrdumised. Kõik jookseb nende kohandatud IDE kaudu ilma mitut tarkvarapaketti installimata või teegi sõltuvustega tegelemata. Peredele, kus tehniline tõrkeotsing muutub õppimise takistuseks, keskendub see lihtsustatud lähenemisviis pigem kodeerimiskontseptsioonidele kui konfiguratsiooniprobleemidele.
Plokipõhine-vs. teksti-põhine otsus
Programmeerimiskeele valik peaks vastama õppija staadiumile, mitte roboti võimalustele.
Block{0}}põhised keskkonnad, nagu Scratch ja Blockly, õpetavad programmi struktuuri ilma süntaksitõketeta. Õpilased õpivad tingimusloogikat, silmuseid, muutujaid ja funktsioone - põhimõisteid, mis kanduvad üle mis tahes tekstikeelde. MIT-i uuringud näitavad, et juba 8-aastased õpilased suudavad keerukatest programmeerimiskontseptsioonidest aru saada plokkide kaudu, mis võivad neid tekstina nurjata.
Üleminek teksti{0}}põhisele kodeerimisele peaks toimuma siis, kui õpilased saavad iseseisvalt luua töötavaid plokkprogramme, mis lahendavad mitmeastmelisi probleeme. See juhtub tavaliselt pärast 10{4}}15-tunnist plokipõhist kogemust. Liiga varane tekstikodeerimise sundimine tekitab frustratsiooni; liiga pikk edasilükkamine piirab edasiminekut.
Python domineerib haridusrobootikas mõjuvatel põhjustel. Selle loetav süntaks vähendab kognitiivset koormust võrreldes C++ või Javaga, võimaldades õpilastel keskenduda probleemide-lahendamise loogikale, mitte kirjavahemärkide reeglite meeldejätmisele. Pythoni ulatuslikud teegid võimaldavad õpilastel kiiresti liikuda põhiliikumise juurest arvutinägemise, veebi API-de ja masinõppe juurde ilma keelt vahetamata.
Scratch jääb väärtuslikuks isegi teksti kodeerimiseks valmis olevate õpilaste jaoks. 100+-plokkidega keerulised programmid muutuvad kohmakaks, tõukudes loomulikult õpilasi teksti poole, kui nende projektid seda nõuavad. See orgaaniline üleminek loob parema õppimise kui sunnitud keelekasutus.
Mida "Õpetab kodeerimist" tegelikult tähendab
Ehtne kodeerimisõpe arendab arvutuslikku mõtlemist, mitte ainult süntaksi meeldejätmist.
Arvutuslik mõtlemine jaguneb neljaks põhioskuseks: dekomponeerimine (probleemide jagamine väiksemateks osadeks), mustrituvastus (sarnasuste tuvastamine), abstraktsioon (ebavajalike detailide eemaldamine) ja algoritmiline mõtlemine (samm{0}}-lahenduste loomine). Kodeerimist õpetav Raspberry pi robootikakomplekt arendab neid oskusi süstemaatiliselt.
Võtke näiteks takistuste vältimine. Kehv õpetamisviis võimaldab õpilastel täielikku koodi kopeerida ilma aru saamata. Tugev lähenemine juhendab õpilasi: probleemi tuvastamine (takistuste tuvastamine), selle osadeks jagamine (kauguse mõõtmine, otsuste tegemine, meetmete võtmine), mustrite tuvastamine (mitme anduri jaoks sarnane loogika), lahenduse abstraktsioon (funktsioonid, mis töötavad mis tahes takistuse korral) ja algoritmi loomine (konkreetsed sammud õiges järjekorras).
See õppimine nõuab progresseeruvate raskustega väljakutseid. Õpilased peaksid silmitsi seisma probleemidega, mis ületavad nende praeguseid võimeid ja mis nõuavad tuntud mõistete rakendamist uutel viisidel. Robootikakomplekti ülesanne on pakkuda neid väljakutseid loogilises järjestuses, mitte ainult pakkuda platvormi, kus väljakutsed on võimalikud.
Dokumentatsiooni kvaliteet mõjutab otseselt õppimise tõhusust. Selge selgitus selle kohta, mida kood teeb (ja miks) on olulisem kui koodi kogus. Üks hästi-seletatud 20-realine programm õpetab rohkem kui kümmet seletamatut 100-realist näidet.
Vanuse ja kogemuse sobitamine
Erinevad komplektid sobivad erinevatele õppijate etappidele vaatamata turundusväidetele "vanus 8-80".
XRP-platvormi sihiks on keskkool (6.–8. klass). Blockly liides eemaldab tõkked nooremate õpilaste jaoks, samas kui WPILib edasiliikumine pakub väljakutset keskkooliõpilastele. Alla 10-aastased põhikooliõpilased on sageli hädas mootorikooderi kontseptsioonide ja geomeetria koordineerimisega, mida edasijõudnute tunnid nõuavad.
GoPiGo3 töötab hästi laiemas vanusevahemikus tänu oma ulatuslikule õppekava sügavusele. Õpetajad teatavad edukast kasutamisest alates 4. klassist kuni kolledži algusesse, mis saavutati õppekavasse sisenemisega erinevates punktides. Nooremad õpilased võivad veeta terved semestrid Scratchi tegevustele, samas kui keskkooliõpilased hüppavad otse Pythoni andurite integreerimisele.
Täiskasvanud õppijad eelistavad sageli Freenove'i komplekte just seetõttu, et nad jätavad struktureeritud õppetunni lähenemisviisi vahele. Keegi, kellel on programmeerimiskogemus teistes keeltes, soovib toimivaid näiteid ja head API dokumentatsiooni, mitte aga{1}}põhikontseptsioonide käsitsemist. Põhjalik, kuid struktureerimata õpetusstiil ühtib-isejuhitud õppimise eelistustega.
Picobricksi platvorm sobib eriti peredele, kus on mitu erineval tasemel last. Jagatud riistvara koos algaja-sõbraliku plokkkodeerimisega tähendab, et nooremad õed-vennad saavad alustada sisukaid projekte, samas kui vanemad õed-vennad liiguvad edasi Pythoni või Arduinosse, muutes komplekti investeerimise mitmeks õppimiseks.
Õppekava vs riistvara kompromiss
Parem riistvara ei loo automaatselt paremat õppimist.
Yahboom G1 tankil on muljetavaldav alumiiniumkonstruktsioon, võimsad mootorid ja ulatuslikud laienemisvõimalused. Siiski pakub see minimaalset õppestruktuuri peale API põhidokumentatsiooni. Õpilased saavad selle tõhusaks kasutamiseks vajalike oskuste arendamiseks keeruka platvormi, millel puudub selge edasiminek.
Võrrelge seda CamJam EduKit 3-ga, odava põhikomponentidega komplektiga, mis sisaldab erakordselt-hästi kujundatud töölehti. CamJami õpilased õpivad praktilisemat programmeerimist, kuna piiratud riistvara keskendub pigem koodiloogikale kui riistvara keerukusele.
See muster kordub kogu turul. Esmaklassilised robotikomplektid rõhutavad mehaanilist kvaliteeti, andurite mitmekesisust ja laiendamisvõimalusi, - mis kõik on edasijõudnute projektide jaoks olulised, kuid ebaolulised, kui õpilased ei arenda kunagi nende projektide loomiseks vajalikke oskusi.
Ideaalne esimene raspberry pi robootikakomplekt seab õppimise struktuuri esikohale riistvara võimekusele. Pärast põhioskuste arendamist saavad õpilased alati lisada andureid või ehitada keerukamaid roboteid. Alustades muljetavaldava riistvaraga, kuid ebapiisav õpetamine loob kallid riiulikaunistused.
Levinud õppelõksud
Kolm probleemi takistavad sageli robootikakomplektidega kodeerimisel koolitust.
Näidiskood ilma selgituseta: õpilased käitavad kaasasolevaid skripte, mis panevad robotil muljetavaldavalt käituma, kuid ei õpi koodi toimimise kohta midagi. Nad jätavad meelde, et robot.forward(10) liigub edasi, mõistmata parameetreid, funktsioonikutseid või programmivoogu. Muljetavaldav demo varjab õppimise ebaõnnestumist.
Konfiguratsiooni põrgu: Kakskümmend minutit tarkvara installimise ja raamatukogu sõltuvuste vastu võitlemist hävitab õppimise hoo. Eriti kaotavad noored õppijad keskendumise tehnilise veaotsingu käigus. Ulatuslikku seadistust vajavad komplektid töötavad paremini tehniliste kogemustega perede jaoks; teised vajavad plug{2}}and-and-play keskkondi.
Dokumentatsiooni kõrb: Pärast kolme näidisprogrammi läbitöötamist tekib õpilastel küsimus "mis järgmiseks?" Ilma sobiva raskusastmega struktureeritud väljakutseteta jääb õppimine seiskuma. Õpilased vajavad probleeme, mis nõuavad tuntud mõistete kombineerimist ja laiendamist, mitte ainult lahtiühendatud näiteid.
Edukas õppimine nõuab õpilastelt produktiivset võitlust -, seistes silmitsi läbimõtlemist nõudvate väljakutsetega, kuid nende praeguste oskuste ulatuses. Liiga lihtne tekitab igavust; liiga raske tekitab frustratsiooni. Haridusele- keskendunud komplektid tagavad selle edenemise; programmeeritavad,-kuid-mitte-õppekomplektid jätavad õpilased otsima foorumitest projektiideid.
Valiku tegemine
Valige õppimiseesmärkide, mitte funktsioonide loendi alusel.
Kui eesmärk on õpetada algajatele programmeerimise põhialuseid, eelistage õppekava ülesehitust riistvaralisele keerukusele. GoPiGo3 ja XRP platvorm pakuvad süstemaatilist oskuste arendamist. Robotid näevad välja lihtsamad kui esmaklassilised alternatiivid, kuid õpilased õpivad palju rohkem.
Peredele, kes soovivad koos robootikaga tutvuda ilma ametliku õppekavata, pakuvad SunFounder PiCar-X või Freenove'i komplektid paindlikku ja usaldusväärset dokumentatsiooni. Lapsevanemad, kes pakuvad õppestruktuuri, saavad õpilasi tõhusalt projektide läbi viia.
Olemasoleva programmeerimiskogemusega õpilased saavad kasu struktureeritud õppekavade asemel võimekatest platvormidest, millel on hea API dokumentatsioon. Yahboomi paak või Adeept RaspTank pakuvad keerukat riistvara keerukate projektide elluviimiseks ilma juba omandatud põhitõdesid õpetamata.
Koolid ja formaalsed haridusasutused peaksid valima platvormid, millel on täielik õppekava ja klassiruumi haldamise tugi. GoPiGo3 domineerib selles ruumis, samas kui XRP FIRST Robotics ühendus muudab selle väärtuslikuks võistlevatele-meeskondadele.
Õige raspberry pi robootikakomplekt õpetab kodeerima, kui see pakub struktuuri, edenemist ja selgeid järgmisi samme igas etapis -, mitte ainult programmeerimise võimaluse.
Korduma kippuvad küsimused
Kas lapsed saavad programmeerimist õppida ilma struktureeritud tundideta?
Iseseisev{0}}õpe töötab mõne õpilase jaoks, kuid enamik vajab struktureeritud edasijõudmist. Uuringud näitavad, et 70-80% õpilastest loobuvad robootikakomplektidest ilma selgete järgmise-sammu juhisteta. Eelneva programmeerimiskogemusega või erakordse probleemide lahendamise oskusega õpilased saavad õppida ainult näidete põhjal, kuid nad on vähemus.
Kas Scratch on liiga lihtne, kui eesmärk on tõeline programmeerimine?
Scratch õpetab ehtsat arvutuslikku mõtlemist, mis kandub otse üle tekstikeeltesse. MIT-i uuringud näitavad, et õpilased, kes valdavad Scratchi kontseptsioone, lähevad Pythonile edukamalt üle kui need, kes alustavad teksti kodeerimisega. Visuaalne vorming eemaldab süntaksi kui barjääri loogilise mõtlemise loomisel. Õpilased kasvavad tavaliselt Scrathist välja loomulikult 15–25 tunni pärast.
Kui kaua saavad õpilased originaalprogramme kirjutada?
Struktureeritud õppekavade puhul kirjutab enamik õpilasi põhilised iseseisvad programmid 8-12 tunni pärast. Keerulise autonoomse käitumise loomine nõuab tavaliselt 25–35 tundi kumulatiivset kogemust. Edusammud sõltuvad suuresti vanusest, eelnevast kokkupuutest loogilise mõtlemisega ja harjutamise sagedusest. Õpilased, kes töötavad 2–3 korda nädalas, õpivad kiiremini kui kord nädalas toimuvad sessioonid.
Kas robootikakomplektid sobivad professionaalse programmeerimise õpetamiseks?
Robootika pakub motivatsiooni ja vahetut tagasisidet, mis muudab programmeerimiskontseptsioonid konkreetseks. Kuid lõpuks peaksid õpilased jõudma robootikast üldotstarbelise{1}}programmeerimiseni. Oskused lähevad täielikult üle, kuid veebiarendus, andmeanalüüs ja muud valdkonnad nõuavad erinevat tüüpi projekte. Vaadake robootikat kui köitvat sissejuhatust, mitte kui täielikku programmeerimisõpet.
Peamised valikukriteeriumid
Algajatele vanuses 10-14: XRP platvorm või GoPiGo3 koos struktureeritud õppekavadega
Visuaalsetele õppijatele: SunFounder PiCar-X paralleelse Scratch/Python-ekraaniga
Iseseisva{0}}õpilaste jaoks: Freenove komplektid koos põhjalike õpetustega
Lihtsustatud häälestuse jaoks: integreeritud plokk{0}}põhise IDE-ga Picobricks
Klassiruumis kasutamiseks: GoPiGo3 koos õpetajate ressursside ja õppekavaga
Kodeerimise õpetamiseks parima raspberry pi robootikakomplekti valimine sõltub platvormi haridusstruktuuri sobitamisest teie õppija vajaduste ja kogemuste tasemega.