CC BY
80
Литвинов Юрий Викторович
УДК 004.4'22
РЕАЛИЗАЦИЯ ВИЗУАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ РОБОТОВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКИ В ШКОЛАХ
Аннотация
В настоящее время в школах Российской Федерации для преподавания информатики активно используется робототехнический конструктор Lego Mindstorms NXT. Этот конструктор позволяет собирать и программировать роботы, использующие моторы и сенсоры для взаимодействия с внешним миром. Однако для эффективного использования роботоконструкторов на уроках информатики требуются средства программирования создаваемых с его помощью роботов, причём эти средства должны быть доступны школьникам, никогда не программировавшим ранее. В данной статье формулируются требования к средствам визуального программирования роботов, предназначенных для применения в школах, делается обзор таких средств, интегрированных с Lego Mindstorms NXT, и описывается новое подобное средство - QReal:Robots..
Ключевые слова: визуальное программирование, робототехника, предметно-ориентированное моделирование.
ВВЕДЕНИЕ
В школьной информатике активно используется понятие «исполнитель» - некая сущность, которая выполняет написанные в программе команды. Для разработки таких «исполнителей» традиционно используются робототехнические конструкторы, самым популярным из которых на данный момент является конструктор Lego Mindstorms NXT [11]. Он позволяет из блока управления, моторов, сенсоров и соединительных деталей собирать роботов, способных под управлением программы взаимодействовать с окружающим миром.
Существует довольно много систем, позволяющих программировать таких роботов, - как текстовых, так и визуальных. В текстовых средах, как правило, применяются языки программирования, похожие на язык C, поэтому они слишком сложны для первоначального обучения информатике в младших и средних классах школы. С педагогической точки зрения более интересны визуальные средства программирования ро-
© Литвинов Ю.В., 2013
ботов, пользоваться которыми могут даже дошкольники, не умеющие ещё читать. В данный момент для программирования роботов используются следующие средства визуального программирования: Robolab [13], NXT-G [18], Microsoft Robotics Developer Studio [12] и QReal:Robots [7].
В статье проводится анализ перечисленных сред с точки зрения их пригодности для преподавания информатики и кибернетики в школах, делаются выводы об их достоинствах и недостатках, приводится описание созданной под руководством автора этой работы среды QReal:Robots, определяются направления дальнейшего развития подобных систем. Система QReal:Robots была создана на базе платформы для разработки предметно-ориентированных решений QReal, разрабатываемой также с непосредственным участием автора силами преподавателей и студентов кафедры системного программирования Санкт-Петербургского государственного университета, и является на данный момент её наиболее зрелым и востребованным применением. О платформе QReal и опыте проведения студенческих проектов и летних школ по её разработке см. [1].
1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИЗУАЛЬНОГО
ПРОГРАММИРОВАНИЯ РОБОТОВ В ШКОЛАХ
Идея использовать роботов при начальном обучении информатике родилась не случайно. Проблема, на которую указывал ещё Ф. Брукс в своей известной статье «Серебряной пули нет» [3], заключается в том, что программы не материальны, их невозможно увидеть. Кроме того, даже представить себе программу не так просто - каждый человек «видит» программу по-разному. Людям, которые программируют впервые, приходится сразу же работать с абстрактными понятиями, и судить о правильности своих программ они могут только по внешним проявлениям их работы - какой ответ программа выведет на экран. При этом может быть совсем не очевидно, как программа работает, и что делать, если выводимый ею ответ неправильный, что нужно делать, чтобы получить правильный ответ. К тому же часто случается так, что программа работает неправильно, но правильный ответ всё-таки выводит. Всё это делает изучение информатики весьма сложным.
И отечественные, и зарубежные методисты давно осознают эту проблему, поэтому традиционно начальное обучение информатике проводится с использованием концепции «исполнителя» - некоторого, зачастую воображаемого, устройства, способного выполнять простые команды в некотором простом окружении. Один из самых известных исполнителей, применяемых в школах - «черепашка» LOGO [8], разработанная американским программистом, психологом и педагогом Сеймуром Пейпертом1 в 1967 году. Исполнитель «черепашка» может перемещаться по экрану, оставляя за собой след, которым вычерчиваются различные фигуры. Черепашка подчиняется командам простого интерпретируемого языка, позволяющего описывать её перемещения и повороты. Таким образом, процесс исполнения программы визуализируется движением исполнителя по экрану, и, если программа работает неправильно, это будет сразу видно.
1 В современой транскрипции Симуром Папертом -
В Советском Союзе преподавание информатики как школьного предмета началось во многом благодаря усилиям академика А.П. Ершова и его коллектива, в который входили Г.А. Звенигородский и H.A. Юнер-ман. Ими быша разработана отечественная учебная система «Робик» [5], основанная, в основном, на тех же принципах, что и Logo. Ими же быши разработаны методики и программы преподавания информатики в школах, где понятие «исполнитель» занимало ключевую позицию.
Однако исполнитель, перемещающийся по экрану, всё же недостаточно нагляден. Сеймур Пейперт в своих экспериментах использовал механическую черепашку [9] -реальный, материальный объект, исполняющий программу, что оказалось гораздо понятнее для школьников, чем черепашка, движущаяся по экрану. Современные технологии позволяют создавать недорогие механические устройства, управляемые загружаемой в них программой непосредственно с компьютера, поэтому идея использования материальных исполнителей в школьной информатике получила второе рождение, из-за чего получил распространение конструктор Lego Mindstorms NXT (методические рекомендации по использованию этого конструктора в школах можно найти, например, в пособии [6]).
Робототехнический конструктор довольно сложно программировать. Из набора деталей могут быть собраны самые разные конструкции, поэтому программировать приходится в терминах оборотов моторов, подключённых к определённым портам управляющего блока, а не в терминах движений и поворотов. Это, безусловно, делает процесс обучения более творческим, поскольку школьники могут не только собрать своего собственного исполнителя, но и сделать его более сложным с точки зрения написания для этого исполнителя программ. Проблема сложности программирования преодолевается использованием наглядных визуальных языков и удобных графических редакторов для составления программ из блоков, представляющих элементарные ко-
от. ред.
манды, такие как «включить мотор», «гудок» и т. д. Таким образом, начинающие школьники работают с графическими языками программирования, а более опытные постепенно переходят на текстовые С-образные языки. В комплекте с конструктором поставляется графическая среда программирования КХТ-О, поэтому визуальные языки среди использующих Мтё81;огт8 МХТ весьма популярны.
2. ТРЕБОВАНИЯ К СРЕДСТВАМ
ПРОГРАММИРОВАНИЯ РОБОТОВ
Определим требования, которым, на наш взгляд, должны удовлетворять средства программирования роботов, для того чтобы они были успешно применимы в школах в преподавании информатики:
• Возможность создавать довольно сложные программы, включающие в себя нетривиальные математические выражения, циклы, ветвления, переменные, параллельные задачи - применение таких средств должно дать возможность иллюстрировать содержательный материал из информатики и кибернетики, например понятие регуляторов.
• Простота и удобство в работе. Неудобный пользовательский интерфейс создаёт дополнительную когнитивную нагрузку на школьников и усложняет восприятие и без того сложного материала.
• Наличие встроенных средств отладки для того, чтобы школьники могли следить за ходом выполнения своей программы и её состояниями и имели бы инструмент для эффективного поиска ошибок.
• Возможность перехода от графической формы программы к текстовой, чтобы школьники старших классов, серьёзно занимающиеся программированием, имели возможность смотреть на то, как их программа выглядит на более приближенном к индустриальному программированию текстовом языке, а также имели бы возможность вносить в программу правки в той же среде, в которой они привыкли работать.
• Необходима русскоязычная среда разработки, поскольку школьники зачастую ещё не владеют иностранными языками, а необходимость работать со словарём существенно усложняет восприятие материала.
• Цена - каким бы хорошим ни был продукт, если он стоит дорого, не все российские школы могут себе его позволить.
• Поддержка и развитие - желательно, чтобы продукт продолжал развиваться и адаптироваться к новым операционным системам и аппаратному обеспечению.
3. СРЕДА NXT-G
Среда NXT-G [18] - единственное средство программирования, которое поставляется в комплекте с конструктором Lego Mindstorms NXT. Эта среда основана на системе визуального программирования Lab View1 от компании National Instruments. В LabView в качестве языка программирования используется визуальный язык G. Язык G моделирует процесс вычислений, ориентированный на данные, в котором явно задаются связи между блоками по данным, а не последовательность выполнения операторов. Блок программы может также выдавать выходные данные, которые могут служить входными для другого блока. Блоки начинают исполняться, когда имеют данные на всех своих входах. Если сразу несколько блоков имеют данные на всех входах, то они исполняются параллельно. Такой подход довольно сильно отличается от принятого в императивном программировании, но, тем не менее, он широко распространён среди инженеров и учёных. Например, на тех же принципах основана другая известная визуальная среда программирования научных вычислений и моделирования - Matlab/ Simulink2.
Основная проблема этой среды заключается в довольно слабой поддержке математических выражений. Математические формулы здесь, как и вся программа, строятся из блоков: есть блоки арифметических
1 LabView home page, www.ni.com/labview/
2 Simulink product page on the MathWorks website, http://www.mathworks.com/products/simulink/?s\ cid=wiki\ simulink\ 8.
операций, блоки чтения и записи значения в переменную, блок, считывающий значение константы, блоки, счтывающие показания с сенсоров и т. д. Таким образом, для того чтобы запрограммировать даже несложную формулу, требуется изображать блоками дерево разбора выражения, которое эту формулу задаёт. Поэтому первому из предложенных требований - пригодности для иллюстрации содержательного материала информатики и кибернетики - КХТ-О не соответствует. В основном из-за этого КХТ-О и не получил широкого распространения в школах.
Что касается простоты и удобства в работе, то среда МХТ-в специально создавалась для начинающих и поэтому довольно эргономична. По мнению некоторый пользователей, она даже слишком эргономична, поскольку не позволяет произвольно размещать блоки на диаграмме, автоматически (и не всегда удачно) прокладывает соединительные линии между блоками и т. д. Для применения КХТ-О в школьных классах оказалась важна ещё такая его особенность: большая часть свойств элементов не отображается на диаграмме, а доступна только через редактор свойств, что делает невозможным показ всей программы через проектор. Никаких средств отладки КХТ-О не имеет, текстовая форма программы не порождается, русификация существует, но не входит в официальную поставку системы. К достоинствам продукта следует отнести то, что он распространяется вместе с конструктором и доступен для скачивания с сайта производителя бесплатно. Кроме того, продукт до сих пор развивается и обновляется. Средствами LabView возможно добавление сторонних блоков, кроме того, сам КХТ-О позволяет выделить набор блоков в подпрограмму и использовать её как новый блок.
4. СРЕДА ЯОБОЬАБ
Среда ЯоЬо1аЬ [13] так же, как и МХТ-в, основывается на продукте LabView. Эта среда специально создавалась для школьного образования и с самого начала ориентировалась на потребности школьных учителей и специфику преподавания в школах. В час-
тности, возможности ЯоЬо1аЬ разбиты на несколько уровней. На самом простом уровне доступны только некоторые возможности, программа строится путём заполнения пустых мест в шаблоне, а также посредством выбора блоков из всплышающего меню. Это позволяет создавать только самые простые программы, имеющие стандартную структуру: команды управления моторами, за которыми следует блок, ожидающий наступления какого-либо события. Причём этот уровень имеет четыре подуровня, и на первых трёх подуровнях программа может состоять только из одного такого «шага». Сделано всё это для того, чтобы дать возможность детям в начальной школе или даже в детском саду пользоваться этой программой - в столь раннем возрасте они вполне могут не уметь читать. На втором уровне (которыш тоже состоит из нескольких подуровней) пользователи могут рисовать уже настоящие диаграммы, размещая произвольным образом блоки из палитры и соединяя их линиями, определяющими поток управления. Разница между подуровнями заключается в количестве доступных в палитре блоков, первые подуровни имеют меньше блоков с меньшим количеством параметров. Разбиение на уровни и подуровни организовано так, чтобы дети могли осваивать среду программирования практически без помощи учителя, руководствуясь лишь интуицией. Отзывы учителей, приведённые в [13], по-казышают, что этой цели удалось достигнуть.
Математические выражения ЯоЬо1аЬ поддерживает гораздо лучше, чем МХТ-в, -их можно задавать в обычном текстовом виде, имеется возможность использовать тригонометрические функции, обращаться напрямую к значениям показаний сенсоров и т. д. Циклы в ЯоЬо1аЬ реализованы довольно необычно: есть блок «метка» и блок «переход к метке», передача управления больше никак не визуализируется. В ЯоЬо1аЬ имеются также условные операторы, возможность порождать параллельные процессы, блоки для управления этими процессами, средства работы с подпрограммами. На ЯоЬо1аЬ можно просто и довольно удобно реализовать довольно сложные программы,
эта среда вполне подходит для иллюстрации материала из информатики и кибернетики вплоть до уровня младших курсов вузов.
Другим требованиям Robolab удовлетворяет хуже. Приложение было создано в конце 90-х годов, с тех пор его интерфейс практически не менялся, поэтому сейчас он выглядит несовременно. Кроме того, он довольно неудобен. Специализированных средств отладки в Robolab нет, хотя есть возможность снимать показания с робота и отображать их на экране компьютера. Текстовое представление программы Robolab порождать не может. Русификация имеется, но лишь частично. Robolab не бесплатен, стоимость одной лицензии сравнима со стоимостью робототехнического набора, что для школ довольно дорого. Развитие Robolab идёт, в основном, путём добавления новых блоков, сама среда давно не изменялась.
Несмотря на указанные недостатки, Robolab на данный момент является основной средой, используемой в российских школах. По отзывам учителей, у многих имеется желание от него отказаться и заменить на что-нибудь более современное, однако пока на рынке не существует продуктов, которые могли бы составить ему серьёзную конкуренцию.
5. СРЕДА MICROSOFT ROBOTICS DEVELOPER STUDIO
Эта среда разработана компанией Microsoft и предназначена для программирования сложных многопоточных приложений с реактивной моделью поведения, используемых для управления робототехни-ческими системами [12]. Необходимость создания таких приложений есть не только в робототехнике, поэтому Microsoft Robotics Developer Studio (MRDS) используется и для создания приложений, к робототехнике не относящихся (например, социальная сеть MySpace использует MRDS как составную часть серверного ПО [10]). Программы в MRDS создаются в виде диаграмм на визуальном языке VPL (Visual Programming Language), являющемся, по сути, визуализа-тором связей между отдельными параллель-
но исполняемыми компонентами (или Web-сервисами), из которыж состоит программа. Система состоит из следующих частей.
• Concurrency and Coordination Runtime (CCR) - библиотека для работы с параллельными и асинхронными потоками данных. Она автоматизирует синхронизацию процессов, основываясь на потоках данныгх, так что прикладному программисту не надо задумываться об использовании семафоров, мониторов и прочих примитивов синхронизации. Библиотека позволяет прозрачно организо-вышать распределённые и параллельные вычисления, исполняя задачи на разных выиис-лительных устройствах. Это весьма полезно при программировании роботов, поскольку программы для роботов по природе реактивны и требуют обработки потоков данных одновременно с нескольких сенсоров, причём часть вычислений может быть сделана прямо на роботе, а часть - на управляющем компьютере.
• Decentralized Software Services (DSS) -среда времени выполнения, обеспечивающая представление компонентов программы в виде Web-сервисов и упрощающая организацию взаимодействия между ними. Взаимодействие между Web-сервисами ведётся по специальному протоколу Decentralized Software Services Protocol (DSSP). Инструменты, входящие в DSS, позволяют довольно легко конфигурировать Web-сервисы и связи между ними. DSS позволяет создавать распределённые приложения, которым не важно, на каком выиислительном устройстве выполняется тот или иной компонент - на одном из компьютеров робота или на компьютере вовне - лишь бы они быши связаны единой сетью.
• Visual Programming Language (VPL) -это визуальный язык и редактор для него, используемыш для конфигурирования сервисов. Сервисы можно поместить на диаграмму в виде специальных блоков, связать их входы и выходы, настроить их атрибуты. Получающаяся на таком языке диаграмма сильно напоминает диаграммы LabView, отображая зависимость между компонентами по данным.
• Visual Simulation Environment (VSE) -трёхмерная среда симуляции поведения ро-
бота в виртуальном мире. Обладает довольно богатыми возможностями по симуляции физического мира и богатыми средствами отображения трёхмерной графики, что позволяет строить сложные и красиво выглядящие модели мира. В поставку среды включено несколько моделей окружения, в том числе модель квартиры, в которой работает так называемая «стандартная модель» робота, трёхколёсная платформа с установленным на ней ноутбуком, сенсором Microsoft Kinect®, инфракрасными датчиками расстояния и сонаром.
Необходимо отметить, что в сфере школьного образования MRDS используется очень редко. Главная причина этого заключается в том, что среда рассчитана, в основном, на симуляцию и не может эффективно взаимодействовать с реальным роботом. Для Lego Mindstorms NXT данная среда поддерживает возможность управления по каналу Bluetooth, но «залить» программу на робот возможности нет - на роботе нет возможности запустить .NET-машину и нет ресурсов, необходимых для работы распределённых Web-сервисов. Реальные роботы, управляемые MRDS, обычно гораздо сложнее и дороже того, что можно использовать в школах (стандартная платформа, например, имеет в своём составе ноутбук, который один, скорее всего, дороже всего набора Lego Mindstorms NXT, хотя позиционируется как бюджетный робот, доступный каждому). Управления по Bluetooth недостаточно для решения задач, требующих малого времени реакции робота, из-за больших задержек посылки-приёма Bluetooth-паке-тов, что делает MRDS неприменимой для большой области решаемых в школе задач. Симуляции тоже оказывается недостаточно, потому что даже с хорошим физическим движком MRDS создаёт модель некоторого идеального мира, в котором большого количества проблем, решаемых алгоритмами кибернетики, просто не возникает. Даже простая задача, решаемая на реальном роботе, может оказаться нагляднее и полезнее школьникам, чем сложная программа, исполняемая на модели в симуляторе. А поскольку возможности быстро перейти от
симулятора к реальному роботу нет, применение MRDS в области школьного образования, скорее, занимает нишу «черепашки» Logo, применяясь, в основном, для демонстрации «исполнителя» на экране.
Вторая важная причина очень узкого распространения MRDS в школах - используемая модель вычислений. Представление программы в виде набора взаимосвязанных распределённых Web-сервисов может быть удобным для опытных программистов, но начинающим тяжело понять принципы, лежащие в основе такой модели. Сложные механизмы взаимодействия Web-сервисов во многом спрятаны с помощью визуального языка VPL, но всё же требуется некоторое понимание происходящих в системе процессов, для того чтобы создавать содержательные диаграммы. К тому же, блоки имеют довольно большое количество параметров, при задании которых используются различные сложные алгоритмические понятия, незнакомые начинающим программистам. В целом можно сказать, что MRDS больше подходит для студентов или профессиональных программистов, чем для школьников. Среда хоть и позволяет писать сколь угодно сложные программы, но предлагает непростые и специфические средства, что сильно снижает её ценность как средства для начинающих.
Относительно других требований можно сказать следующее. Система довольно удобна в работе, имеет средства отладки и кодогенерации, однако, в силу своей специфики, эти средства, опять же, сложны для использования школьниками. Русификация системы отсутствует, однако система распространяется свободно и активно развивается.
6. ВЫВОДЫ
Приведем таблицу с результатами сравнения существующих визуальных средств программирования роботов (табл. 1). Можно сделать вывод, что существующие среды, кроме Robolab, слабо подходят для преподавания информатики и кибернетики в школах. Кроме того, как видно из таблицы, среда Robolab также имеет ряд существен-
Табл. 1
КХТ-в ЯоЬо1аЬ МЯШ
Возможность Слабая поддержка Присутствует всё, Сколь угодно
создания сложных сложных что требуется сложные
программ математических выражений школьникам программы
Простота и Довольно Удобна, но Довольно удобна,
удобство в работе эргономична, но неудобна для уроков устаревший интерфейс но сложна
Средства отладки Нет Нет Есть отладчик
Текстовое Нет Нет Генерирует код на
представление С#
программы
Русификация Есть, неофициальная Есть, частичная Нет
Цена Бесплатна Порядка 5000 рублей за лицензию Бесплатна
Развитие Развивается Сама среда не развивается, только добавляют новые блоки Развивается
ных недостатков, наиболее важный из которых для школ - высокая стоимость. Таким образом, существует потребность в создании бесплатной среды программирования, схожей по функциональности с Robolab, но имеющей средства отладки, генерации кода, русификацию и при этом удобную в работе.
7. СРЕДА QREAL:ROBOTS
Среда программирования QReal:Robots [7] разрабатывается на кафедре системного программирования Санкт-Петербургского Государственного Университета с 2011 года на базе DSM-платформы QReal [2]1. Разработка началась после того, как платформой QReal заинтересовались на кафедре прикладной кибернетики университета, и совместно со школьными учителями были определены требования к среде.
В QReal: Robots модель вычислений строится на основе понятия потока исполнения, в отличие от подхода, принятого в предыдущих системах. Связи между блока-
ми на диаграмме указывают, какой блок будет исполняться следующим, зависимости по данным между блоками не визуализируются. Такой подход оказытается более удобным для восприятия, поскольку ближе к императивным языкам программирования и интуитивному представлению о программе как последовательности команд исполнителю.
Среда содержит порядка двадцати видов блоков, разбитых по смыслу на 5 групп. Группа «Алгоритмы») содержит блоки, определяющие последовательность выполнения команд в программе, такие как «Условие», «Цикл». Группа «Действия» содержит блоки, реализующие элементарные команды роботу, такие как «Играть звук», «Моторы вперёд», «Моторы стоп» и т. д. Группа «Инициализация» содержит блоки, позволяющие задать начальное состояние различных подсистем робота, например, «Блок инициализации», обозначающий начало программы и конфигурирующий датчики робота. Группа «Ожидания» содержит блоки, приостанавливающие выполнение программы до на-
1 QReal является наследником визуальных технологий RTST [14] и Real [15], также разработанных на кафедре системного программирования. Кроме того, с участием специалистов этой кафедры были разработаны визуальные средства Comapping [16], ViDIP [17] и др.
ступления некоторого события, например, «Ждать сенсор касания» или «Таймер». Каждый блок имеет набор свойств, определяющих его поведение, например порт датчика, с которого надо считать показания, или мощность, подаваемая на моторы. Пример программы на языке рЯеа1:ЯоЪо18 приведён на рис. 1.
Приведём описание функциональности 0Яеа1:ЯоЪо18, направленной на удовлетворение предложенных выше требований. Математические выражения в 0Яеа1:ЯоЪо18 могут задаваться в текстовой форме, в любом месте, где требуется численное значение, кроме того, есть отдельный блок «функция», предназначенный для записи математического выражения. Имеется возможность использовать переменные и обращаться к текущим показаниям сенсоров прямо из выражения. В языке имеется поддержка алгоритмических конструкций -ветвлений, циклов, параллельных потоков исполнения. Удобство пользовательского интерфейса 0Яеа1:ЯоЪо18 обеспечивается, во-первых, возможностями базовой технологии 0Яеа1, во-вторых, исследованиями удобства пользовательского интерфейса
конкретно QReal:Robots. Базовая технология обеспечивает, например, распознавание жестов мышью, которое используется в QReal:Robots для быстрого рисования связей между блоками - достаточно с зажатой правой кнопкой мыши провести линию между двумя блоками, чтобы соединить их. Проводилось анкетирование школьников по вопросам удобства использования QReal:Robots, выявленные замечания были исправлены.
Наличие развитых средств отладки является основным преимуществом QReal: Robots перед рассмотренными системами. Первое - это возможность интерпретации программы на компьютере с дистанционным управлением роботом по Bluetooth или USB. При этом среда подсвечивает текущий исполняемый блок, визуализируя ход выполнения программы и давая возможность понять, какой блок вызвал ошибку. Второе -наличие двухмерной модели робота, которая может быть использована как исполнитель программы вместо реального робота. Двухмерная модель имитирует трёхколёсную тележку, применяемую, например, в футболе роботов. Модель позволяет задавать расположение и тип сенсоров и объекты реально-
Рис. 1. Пример программы QReal:Robots
го мира, такие как стены и линии на полу, с которыми взаимодействуют сенсоры. Двухмерная модель позволяет отлаживать программы без использования настоящего робота, что делает цикл отладки гораздо быстрее и позволяет использовать 0Яеа1:ЯоЪо18 без доступа к роботу вообще, что может быть полезно для школ, пока не закупивших ро-бототехнические конструкторы.
Среда 0Яеа1:ЯоЪо18 имеет генератор кода на языке С по диаграммам. Сгенерированный код можно скомпилировать и загрузить на робот для автономного исполнения, при этом его можно просматривать прямо в среде 0Яеа1. Среда изначально разрабатывалась для русскоязычной аудитории, поэтому не требует русификации, бесплатна (разрабатывается как продукт с открытым исходным кодом), продолжает активно развиваться силами сотрудников кафедры системного программирования СПбГУ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Среда 0Яеа1:ЯоЪо18 была представлена на «Открытых состязаниях Санкт-Петербурга по робототехнике» 2012 года и на робото-техническом фестивале «Робофест 2012» в Москве. В качестве доказательства применимости ОЯеа1:ЯоЪо18 к реальным задачам, решаемым школьниками, можно отметить, что команда студентов, принявшая участие в соревнованиях с ОЯеа1:ЯоЪо18, показала хорошие результаты. Им удалось занять места в середине таблицы, несмотря на то, что многие участники использовали роботов, специально созданных для этой задачи. ОЯеа1:ЯоЪо18 представлялся также на стендовых докладах на этих соревнованиях, где вызвал большую заинтересованность у потенциальных пользователей. Было проведено анкетирование удобства пользовательско-
го интерфейса, которое показало, что продукт достаточно хорош, чтобы вызывать у пользователей симпатию и желание им пользоваться.
Визуальное программирование роботов интересно с научной точки зрения тем, что является подходящей предметной областью для апробации средств поддержки предметно-ориентированного программирования. С одной стороны, использование визуальных языков программирования довольно широко распространено среди людей, занимающихся робототехникой, поэтому можно рассчитывать на содержательное сравнение с существующими решениями и обратную связь от пользователей, уже знакомых с различными визуальными языками. С другой стороны, программирование роботов - хороший пример предметной области, достаточно узкой, чтобы можно было получить заметное преимущество от создания для неё специализированного языка, и вместе с тем достаточно содержательной, чтобы такой специализированный язык был нетривиальным и мог бы послужить примером для исследования решений, применимых в других содержательных случаях. Описание предметной области, существующих разработок, тенденций и направлений развития средств визуального программирования роботов может быть важно как база для исследований в области предметно-ориентированного моделирования и для апробации технологий и методологий создания предметно-ориентированных визуальных языков. Детально описанный и практически полезный пример предметной области может быть полезен как ориентир и модельный пример при разработке Э8М-платфор-мы [4], и уже сейчас задача программирования роботов используется в таком качестве в проекте ОЯеа1 [2].
Литература
1. Брыксин Т.А. Опыт проведения студенческих проектов на примере реализации ше1аСАБЕ-системы ОЯеа1 // Компьютерные инструменты в образовании, 2011. № 5. С. 46-63.
2. ТереховА.Н., Брыксин Т.А., ЛитвиновЮ.В., СмирновК.К., НикандровГ.А., ИвановВ.Ю., Такун Е.И. Архитектура среды визуального моделирования ОЯеа1 // Системное программирование. Вып. 4. СПб.: Изд-во СПбГУ. 2009, С. 171-196.
3. Брукс Ф. Мифический человеко-месяц, или Как создаются программные системы. СПб.: Символ-Плюс, 2010.
4. Павлинов А.А., КозновД.В., ПерегудовА.Ф., БугайченкоД.Ю., Казакова А.С., Чернятчик Р.И., Иванов А.Н. О средствах разработки проблемно-ориентированных визуальных языков // Системное программирование, 2006. Т. 2. № 1. С. 116-141.
5. Звенигородский Г.А. Описание языка Робик, URL: http://ershov.iis.nsk.su/archive/ eaindex.asp?lang=1\&did=7639 (дата обращения 26.02.2013).
6. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. М.: Наука, 2011.
7. Брыксин Т.А., Литвинов Ю.В. Среда визуального программирования роботов QReal:Robots // Материалы международной конференции «Информационные технологии в образовании и науке». Самара, 2011. С. 332-334.
8. MyRobot, Язык программирования Лого, URL: http://myrobot.ru/logo/aboutlogo.php (дата обращения 26.02.2013).
9. cyberneticzoo .com, 1969 - The Logo Turtle - Seymour Papert et al, URL: http://cyberneticzoo.com/ ?p=1711 (дата обращения 26.02.2013).
10. Michael S. Scherotter, CCR at MySpace, URL: http://channel9.msdn.com/Shows/Communicating/ CCR-at-MySpace (дата обращения 26.02.2013).
11. Lego Mindstorms homepage, URL: http://mindstorms.lego.com/en-us/Default.aspx (дата обращения 26.02.2013).
12. Microsoft Robotics Developer Studio homepage, URL: http://www.microsoft.com/robotics/ (дата обращения 26.02.2013).
13. Portsmore, Merredith. ROBOLAB: Intuitive Robotic Programming Software to Support Life Long Learning, APPLE Learning Technology Review, Spring/Summer 1999.
14. Терехов А.Н. RTST-технология программирования встроенных систем реального времени // Записки семинара Кафедры системного программирования «Case-средства RTST++», 1998. С. 3.
15. Terekhov A.N., RomanovskiiК. Yu., KoznovD. V., DolgovP.S., Ivanov A.N. RTST++: Methodology and a CASE Tool for the Development of Information Systems and Software for Real-time Systems. Programming and Computer Software, 1999. Vol. 25. № 5. P. 276-281.
16. Koznov D, Pliskin M. COMPUTER-SUPPORTED COLLABORATIVE LEARNING WITH MIND-MAPS. Communications in Computer and Information Science, 2008. Vol. 17 CCIS. P. 478-489.
17. Кознов Д.В., ПерегудовА.Ф., БугайченкоД.Ю., ЧернятчикР.И., Казакова А.С., Павлинов А.А. Визуальная среда проектирования систем телевизионного вещания // Системное программирование, 2006. Т. 2. № 1. С. 142-168.
18. LEGO web site, NXT-G download page, URL: http://service.lego.com/en-us/helptopics/ ?questionid=2655 (дата обращения 26.02.2013).
Abstract
Today in russian schools Lego Mindstorms NXT robotics kit is used for teaching informatics. This kit allows to assemble and program robots, with motors and sensors to communicate with outside world. However, to be able to efficiently use such kits in informatics lessons, environments for programming them are needed, and pupils who did not program at all before shall be able to use them. In this article requirements for visual programming environments for robots in schools are formulated, review of existing environments intended to use with Lego Mindstorms NXT is given, and new such tool - QReal:Robots - is presented.
Keywords: visual programming, robotics, domain-specific modeling.
Литвинов Юрий Викторович, старший преподаватель кафедры системного программирования СПбГУ, инженер-программист ЗА О «Ланит-Терком», уиги. Шутоу@§таи. соти
© Наши авторы, 2013. Our authors, 2013.
