Об образовательных ресурсах и технологии обучения студентов основам программирования роботов Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

Ионов Ю.Г. 1 Смирнов М.Ю.2

1 Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и

автоматики (МГТУ МИРЭА), кафедра Проблемы управления, д. т. н., профессор,

yuionov@gmail.com

2 Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и

автоматики (МГТУ МИРЭА), кафедра Проблемы управления, ассистент

Об образовательных ресурсах и технологии обучения студентов основам программирования роботов

Для современного технического профессионального образования важно на ранних стадиях образования развивать у студентов универсальные навыки практической деятельности к проведению комплексных теоретико-экспериментальных исследований по разработке средств автоматизации промышленного оборудования. На примере направлений подготовки 221000 - "Мехатроника и робототехника" и 220400 - "Управление в технических системах" рассмотрим некоторые особенности и дидактические характеристики процесса обучения студентов основам программирования. Они обычно определяются следующим рядом факторов:

• характер решаемых задач;

• язык и среда программирования, а также среда отладки программ;

• технология тестирования и форма представления результатов работы программы;

• время, отведенное на изучение основ программирования.

По учебному плану МГТУ МИРЭА в первом и втором семестре студенты бакалавриата ориентированы на решение учебных задач вычислительного характера, простейших задач логики, графики и управления. При этом в рамках дисциплины «Информатика» задачи выбираются в основном из предметной области по специальности. Обучение основам программирования начинается с алгоритмизации решения задач и освоения основ структурного программирования, а также языка Си, как наиболее детально ориентированного на типовые и не типовые структуры алгоритмов. Обучение объектно-ориентированному программированию на языке С++ (или С#) реализуется позже на 2-м или 3-м курсе в соответствии с учебным планом.

Си - язык профессионалов, наиболее часто используемый в микропроцессорных системах (контроллерах) для управления роботами и вообще мехатронными системами. С++ (С#) - языки, которые в сравнении с Си дают существенно большую степень мобильности при разработке, например интерфейса оператора, виртуальных моделей объектов и пространств и других сложных приложений.

При разработке программ в некоторой интегрированной среде программирования, например Visual C++, создаваемые студентами

программы обязательно тестируются для постоянных или варьируемых исходных данных. Результат работы созданной программы чаще представляется в виде видеоинформации. Он отображается на экране монитора в виде числа (-л), или (и) массива чисел, или графика, рисунка, или таблицы, или текста, а также может озвучиваться, т.е. отображаться в виде аудиоинформации. Известно, что при одновременном воздействии аудио- и видео- информации на органы слуха и зрения достигается максимальный эффект ее восприятия. Эффект может быть существенно усилен, если при отображении результатов работы (тестирования) программы использовать средства визуализации изменения состояния программируемого процесса (объекта).

Соответствующая технология реализована нами с использованием учебного робототехнического комплекса (УРТК). Управление манипуляционным роботом УРТК осуществляется в ручном или автоматическом режиме с помощью аппаратно-программных средств системы управления с применением микропроцессорной системы и персонального компьютера (ПК). Важно, что этот комплекс является типичной в области автоматизации аппаратно - программной системой. Технология создания программного обеспечения УРТК также в основном типовая для робототехники. Поэтому обучение программированию в условиях, приближенных к реальным, на примере программирования УРТК, является исключительно плодотворным.

Отметим, что при разработке концепции преподавания информатики на кафедре учитывалось содержание школьного образования в области информатики согласно ГОС, а также общие дидактические принципы формирования содержания курса информатики в средней школе. Опыт обучения студентов основам программирования с применением средств УРТК на этапе отладки и тестирования разрабатываемых программ, показал:

• дисциплина "Информатика" стала весьма тесно связанной с другими дисциплинами, например "Введение в специальность", преподаваемой в 1-м семестре, а также дисциплинами, изучаемыми во 2-м и более поздних семестрах. Так, например, на 3-м курсе изучается дисциплина "Компьютерное управление в РТС", где в лабораторном практикуме также используется УРТК. Благодаря междисциплинарному взаимодействию расширился класс решаемых студентами задач и осваиваемых технологий с применением разрабатываемых программ;

• студенты приобретают знания, умения и навыки решения реальных задач, понимая место информатики в выбранной профессии. Это стимулирует интерес студентов и к компьютерным технологиям;

• этапы создания программ для системы управления (СУ) УРТК реализуются в следующей последовательности: кодирование

алгоритма на Си, компилирование исходного кода, устранение синтаксических ошибок, загрузка программы в ПК СУ УРТК, тестирование программы и оценка ее качества, устранение обнаруженных семантических ошибок при повторении описанной последовательности действий. Если в программе ошибок не обнаружено, то с ее помощью выполняется демонстрация движений (других действий) УРТК.

Важно подчеркнуть, что в процессе создания таких программ студент 1-го курса осваивает новые для себя понятия, но базовые в программировании, такие как "сопряжение ЭВМ с внешним оборудованием", "обмен данными по параллельному (последовательному) интерфейсу", "формат данных и протокол обмена", "формирование байтов записи в регистр", "формирование байтов чтения из регистра" и др.

Использование УРТК в лабораторном практикуме существенно повышает эффективность учебного процесса, ориентирует его не только на теоретическое обучение программированию, но и на практическое обучение. При этом формируется целостное дидактическое построение целей и предметного содержания занятий (чему учить), методов обучения студентов (как учить), используемых средств обучения (при помощи каких средств учить), форм обучения (традиционных аудиторных и (или) современных дистанционных), приемов диагностики достижения поставленных целей обучения (каковы результаты обучения). Но платой за эту модель обучения становится увеличение затрат на материально-техническое обеспечение, так как при использовании УРТК большим потоком студентов нагрузка на стенд весьма велика, что приводит к частым отказам оборудования и увеличению затрат на обслуживание.

Эта проблема может быть разрешена с помощью виртуальной робототехники [1]. В данном случае разрешение достигается благодаря созданному нами симулятору УРТК. При практическом использовании симулятора все этапы создания программ для виртуальной СУ УРТК реализуются в той же последовательности, что и для реальной СУ УРТК. Симулятор позволил применить технологии обучения непосредственно не связанные с реальными устройствами и с работой только в лаборатории. Но результат здесь тот же: готовая для использования программа, которая работает как в программной среде симулятора, так и в программной среде реального УРТК. В то же время мы считаем, что окончательное тестирование созданной с помощью симулятора программы целесообразно выполнять на реальном УРТК. Использование разработанной программы на реальном оборудовании усиливает эффект ощущения студентом своей значимости, повышает интерес к программированию.

Рис.1. Первая страница учебного пособия, иллюстрирующая его структуру

Методическое обеспечение занятий в рамках лабораторного практикума реализовано с помощью разработанного нами интерактивного электронного учебного пособия "Программирование на С в среде симулятора УРТК". Содержание описываемого ниже пособия 14 соответствует концепции обеспечения самостоятельных занятий по программированию, которые могут быть реализованы студентами не только в лаборатории на реальном УРТК, но и в среде симулятора вне лаборатории. Интерфейс программы - электронной версии пособия показан на рис.1. Учебный материал пособия размещен в 6 основных разделах: УРТК, симулятор УРТК, темы лекционного курса, лабораторный практикум, рекомендации, тестовый самоконтроль. В приложении размещен файл, содержащий программный комплекс - симулятор УРТК. Учебное пособие размещено на созданном нами сайте с системой дистанционного обучения www.cpd-sdo . ги.

В каждой лабораторной работе определена тема, цель работы, время выполнения работы, задание и порядок ее выполнении, требования к отчету.

14В разработке мультимедиа версии пособия принимали участие студенты гр. КС-1-08 Карпов С.А., Новосельский А.К., Слащев Б.В.

система обучения на КПУ - Mozilla Fîrefox

Файл Правка Вид Журнал Закладки Инструменты Справка

' С X tii ( □ | file:yyf:/wwwyiabjlab6.html L&l Самые популярные J Windows Media J Windows | Бесплатная n> Google v 'f поиск -

i H... Настройка ссылок

J ВикиКомментарии • * ^ ^ * ' & Закладки' |;М| Перевести

& IО т I Google " J Автозаполнение • ¿y

Войти •

Кафедра проблем управления

система обучения

Лабораторная работа № 6

Тема: Программа управления мекатронным модулем линейного перемещения в цикловом и позиционном режимах.

Цель работы состоит в освоении технологии программирования робо та "VPTK и принципов циклового и позиционного управления его мекатронным модулем , а также обработки сигналов от датчиков об ратной связи модуля

Бремя выполнения работы : 4 академических часа.

Задание на выполнение лабораторной работы :

[см. материал к 6 л;

1 —разработать алгоритм и программу, в которой подпрограммы, созданные согласно п. п. 2 и 3, должны выполняться поочередно , демонстрируя принципы циклового, а затем позиционного управления движением подвижной платформы мехатронного модуля ( ММ) робота. Предварительно программа должна осуществить тестирование СУ УРТК по ранее составленной программе Сл.р. № 5), которая должна быть включена в исходный текст данной программы с помощью директивы препроцессора # include . Разрабатываемая программа должна отображать на экране монитора текущий режим, а также параметры движения платформы ММ и состояние датчиков, используемых при управлении. При этом сообщения программы должны быть согласованы с текущим алгоритмом управления и контроля.

2— необходимо разработать алгоритм и подпрограмму циклового управления движением подвижной платформы ММ , съема и обработки сигналов от датчиков обратной связи; отладить и осуществить управление одним из модулей линейного перемещения, подклю ченного к каналу X (или по заданию преподавателя — к каналу Y или Z) в цикловом режиме так, чтобы:

— при нажатии пользователем клавиши < Enter > клавиатуры или при достижении модулем любого из концевых датчиков модуль остановился на время 0,5 с , после чего продолжил движе ние в противоположном направлении,

— при нажатии пользователем клавиши < Spacebar > модуль останови лея, а при повторном нажатии на эту клавишу— продолжил движение в том же направлении;

— при нажатии пользователем клавиши < ESC > модуль остановился, а подпрограмма — завершила работу.

3— необходимо разработать алгоритм и подпрограмму позиционного управления движением подвижной платформы ММ , съема и обработки сигналов от датчиков обратной связи; отладить и осуществить управление в позиционном режиме одним из модулей линейного перемещения, подклю ченного к каналу X (или по заданию преподавателя — к каналу Y или Z ). В качестве фактических па раметров подпрограмма должна получать два значения:

— номер степени робота (0 для степени X , 1 для степени Y или 2 для Z ),_>

RU 15:35

Рис.2. Интерактивная страница Практикума

На каждую работу требуется 4 часа времени, включая время контроля готовности студентов к работе в лаборатории, ее окончательное оформление и защиту выполненной работы по представленному отчету. Предусмотрен тестовый самоконтроль понимания содержания как теоретического материала, так и материала конкретной лабораторной работы. Темы лабораторных работ в практикуме: изучение устройства и принципа действия объекта программирования - робота УРТК; основы технологии программирования функций управления и контроля состояния мехатронных модулей робота УРТК; программа записи байта в регистр системы управления УРТК; программа чтения байта из регистра системы управления УРТК; программа тестирования процедур записи и чтения байта в регистр системы управления роботом УРТК; программа управления мехатронным модулем линейного перемещения в цикловом и позиционном режимах; программа согласованного управления роботом УРТК по нескольким степеням подвижности в позиционном режиме. Фрагмент описания одной из лабораторных работ приведен на рис.2 в том виде, в каком оно дано в электронном пособии.

Освоив по пособию технологию решения задач на симуляторе в

пределах соответствующего раздела, студент в состоянии самостоятельно выполнить задание к соответствующей лабораторной работе как в среде симулятора, так и в среде, используемой системой управления УРТК.

Теоретический материал в пособии представлен 12-ю темами (см. рис.3), по каждой из которых даны дополнительные материалы в виде презентаций, а также тест._

^ система обучения на КПУ - Mozilla Firefox В0И

I Файл Правка Вид Журнал Закладки Инструменты Справка

fey » С X ^ ( Q 1 file: y/;F:;WWw/lecbions. hbml i? J |С|т | Google PI

1 [JU Самые популярные Windows Media Q Windows Бесплатная почта H... Настройка ссылок

Gocgle v поиск • <|* ВикиКомментарии • ^ • ¡щ? М т "С? Закладки* 0 Перевести * Автозаполнение т ¿у ■*■ О Войти -

Введение

Симулятор УРТК

и

Практикум

ш

Тестовый самоконтроль

АЛ

1. Тема 1. Робототехнический комплекс "УРТК. Его устройство и принцип действия.

(^ Презентация 1 (^Презентация 2 |Т| Тест

2. Тема 2. Сопряжение блока системы управления роботом УРТК с ЭВМ по параллельному интерфейсу.

(>) Презентация |"Т| Тест

3. Тема 3. Схема обмена данными между блоком управления и ПЭВМ.

^^Презентация [Т|Тест

4. Тема 4. Основы программирования системы управления роботом УРТК.

(^Презентация [Т|тест

5. Тема 5. Регистры СУ УРТК для управления исполнительными устройствами.

(>) Презентация [Т| Тест

6. Тема б. Регистры СУ УРТК для опроса датчиков.

(^Презентация [Т|Тест

7. Тема 7. Особенности интерфейса оператора и его программирования.

(^Презентация Тест

8. Тема 8. Основные операции движения и их программирование.

^^Презентация Тест

9. Тема 9. Основы пр01рамш ц>ования позиционного режима управления роботом.

(^Презентация [Т]Тест

10. Тема 10. Основы ггрограммир ования управления роботом в цикловом режиме.

(^Презентация Тест

11. Тема 11. Тестирование СУ УРТК.

(^Презентация [Т|Тест

12. Тема 12. Фрагменты некоторых программ управления роботом.

Q

+

Темы

Рекомендации

Приложения

f ile: У/jfF: /www/I ее tioris/7 .html

пуск i

RU 18;0C

Рис.3. Иллюстрация страницы пособия с перечнем тем

Учебное пособие предназначено как студентам для обеспечения их самостоятельной работы, так и преподавателям. Что касается преподавателя, то при использовании на занятиях УРТК и его симулятора, он не зависит от проблем обслуживания оборудования и доступа к нему студентов. Важно, чтобы преподаватель, ведущий занятия, в полной мере владел содержанием методических указаний и организационно -техническими мероприятиями, которые относятся к подготовке лабораторных работ, их проведению, к консультациям, контролю хода выполнения самостоятельных работ, а также работ за компьютером во время лабораторного практикума на УРТК. Путем контроля самостоятельной работы студентов он должен обеспечить подготовку студентов к выполнению лабораторных работ. При этом не исключается чтение лекций, для чего могут быть использованы презентации по темам

практикума, ссылки на которые размещены на той же странице, где указан перечень тем.

По лабораторному практикуму изданы методические указания [2], что позволяет использовать при выполнении лабораторных работ как печатную, так и электронную версию учебных материалов.

В заключении на рис.4 для иллюстрации интерфейсной части программы приведен скриншот рабочего окна ПК с симулятором, в рабочем окне интегрированной среды которого приведен исходный код программы управления. На рис.4 показано также, что в этот скриншот вставлен скриншот с реальным УРТК. Во время работы программы отображаются средства интерфейса оператора. Ими, а также с помощью клавиатуры оператор может управлять движением мехатронных модулей манипуляционного робота. Движение визуализируется, воздействуя на зрительные каналы восприятия информации о результатах работы созданной программы.

Исходный код про граммы симулятор

iyr± Г .......................I,

Реальный УРТК Интерфейс onq^aTopa

созданной про граммы

Рис.4. Иллюстрация средств управления УРТК

Электронное учебное пособие "Программирование на С в среде симулятора УРТК" создано с использованием инструментария JavaScript и html, оно является интерактивным и наделено средствами мультимедиа. Инновационность технологии обучения программированию на широко

распространенном алгоритмическом языке Си состоит в том, что она использует подход, сочетающий традиционные методики обучения и методики привнесенные симулятором, которые отличаются тем, что на этапе отладки, тестирования и использования созданных программ достигается наглядность оценок их функциональности. Кроме того, доступ к симулятору, который является программным комплексом, не ограничен расписанием лабораторных занятий, в то время как реальный аппаратно-программный комплекс УРТК предоставляется в распоряжение студентов только в часы лабораторного практикума.

Материал данного учебного пособия может дополнять материал проводимых лекционных, семинарских занятий. Он может использоваться при выполнении заданий на курсовую работу во втором семестре. Описанная технология обучения вызывает интерес студентов, повышает эффективность усвоения специальных разделов программирования.

Литература

1. Ионов Ю.Г. Виртуальная робототехника в образовательных ресурсах. Сборник избранных трудов VI Международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ- образование».- М.: МГУ им. Ломоносова, 2011.- с. 533538.

2. Ионов Ю.Г., Кадочников М.В. Информатика. Методические указания по лабораторным работам. Часть II. М.: МГТУ МИРЭА, 2012.- 36 с.