Programmierkomplexität
Roboter können für die Ausführung einer breiten Palette von Aufgaben konzipiert werden. Einige dieser Aufgaben sind sehr einfach, beispielsweise das Öffnen einer automatischen Tür. Andere können weitaus komplexer sein, wie etwa ein autonomes Auto, das sich in einer städtischen Umgebung zurechtfindet. Unabhängig davon, wie komplex die Aufgabe ist, kann sie in einfachere Aufgaben unterteilt werden. Diese Aufgaben werden als Verhalten bezeichnet und sind die Bausteine der Robotikprogrammierung.
Ein Verhalten ist die Art und Weise, wie ein Roboter handelt, und kann je nach Bauweise oder Programmierung des Roboters unterschiedlich komplex sein. Ein einfacher mobiler Roboter wie der VEX V5 Speedbot verfügt nur über zwei Motoren, während der Clawbot über vier Motoren verfügt, darunter zwei zusätzliche Motoren für Arm und Klaue. Das Verhalten beider Roboter besteht darin, diese Motoren zu drehen, um festgelegte Ziele zu erreichen. Mit mehr Design und Programmierung können Sie von diesem einfachen Verhalten ausgehen und komplexere Verhaltensweisen erreichen.
Unten finden Sie eine Liste der Roboterverhaltensweisen, die sowohl für den Speedbot als auch für den Clawbot von einfach bis komplex ansteigen. In Klammern können Sie die einfacheren Verhaltensweisen sehen, aus denen sich die einzelnen Elemente zusammensetzen.
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Drehen eines Motors, der einem bestimmten Port zugewiesen ist
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Vorwärtsfahren (den linken und rechten Motor mithilfe des Antriebsstrangs drehen)
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5 Meter zurücklegen (vorwärts fahren, dann anhalten)
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Greifen Sie ein weit entferntes Objekt (legen Sie 2 Meter zurück und drehen Sie den Greifermotor, um es zu greifen).
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Einen Gegenstand holen und auf ein hohes Regal legen (einen weit entfernten Gegenstand greifen, umdrehen, 2 Meter weit gehen, den Arm- und Greifermotor verwenden, um den Gegenstand anzuheben und loszulassen)
Sie können sehen, wie Sie jedes der komplexeren Verhaltensweisen in einfachere Verhaltensweisen zerlegen können. Diese werden zu den Bausteinen jeder komplexen Aufgabe.
Tipps für Lehrer
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Weisen Sie die Schüler an, das komplexe Verhalten der Roboter in kleinere, einfache Schritte zu unterteilen. Dieser Vorgang wird als Zersetzung bezeichnet.
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Erklären Sie den Schülern, dass das Zerlegen (Aufschlüsseln) komplexer Verhaltensweisen in einfachere Aufgaben ein wichtiger Teil der Planung und Programmierung ist.
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Erlauben Sie den Schülern, ihre eigenen Projekte durchzuführen, wenn im Unterricht ausreichend Zeit zur Verfügung steht.
Erweitern Sie Ihr Lernen
Um diese Aktivität mit dem rechnerischen Denken und der Zerlegung zu verknüpfen, bitten Sie die Schüler, die Verhaltensschritte, die ein Roboter ausführen würde, um die folgenden Aktivitäten abzuschließen, abzubilden oder aufzulisten:
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Aktivität Eins: Gehen Sie 1 Meter weit und kehren Sie zum Ausgangspunkt zurück.
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Aktivität zwei: Drehen Sie eine Kiste um, die sich 60 cm vor dem Roboter befindet.
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Aktivität Drei: Heben Sie einen Gegenstand auf, schütteln Sie ihn, bewegen Sie ihn 30 cm weit, legen Sie den Gegenstand auf den Boden und kehren Sie zum Ausgangspunkt zurück.
Diskussion anregen
Die Schüler sollten die Verhaltensschritte mitteilen, die sie für die Aktivitäten aus „Erweitern Sie Ihr Lernen“ oben aufgelistet haben. Jede der folgenden Fragen kann nach einzelnen oder allen Aktivitäten gestellt werden.
F: Welche Schritte oder Verhaltensweisen hat jede Gruppe aufgelistet, um diese Aktivität erfolgreich abzuschließen?
A: Die Schüler müssen die Entfernung berücksichtigen, die der Roboter zurücklegen muss, sowie die Bewegung und Geschwindigkeit des Arms. Außerdem müssen sie die einfachen Verhaltensweisen des Roboters auflisten, die zum Abschluss der Aktivität oder Aufgabe erforderlich sind (vorwärtsfahren, rückwärtsfahren, links oder rechts abbiegen). Die Schüler sollten ihre Verhaltenslisten so erstellen, dass jeder Schritt dargestellt wird.
F: Welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede gab es zwischen den Lösungen (Schrittlisten) dieser Aktivität?
A: Die Schüler werden auf Grundlage ihrer Lösungen Vergleiche anstellen. Ein Venn-Diagramm könnte eine gute Möglichkeit sein, die Schritte der Schüler zu organisieren. Wenn die Mehrheit der Schüler einen bestimmten Schritt nennt, fügen Sie ihn in der Mitte dort hinzu, wo sich die Kreise überlappen. Wenn nur ein oder wenige Schüler einen bestimmten Schritt benennen, fügen Sie ihn dem einen oder anderen Kreis hinzu. Wenn dies erledigt ist, sollten die Schritte in der Mitte zuverlässig einfach sein und nicht weiter unterteilt werden können, während die Schritte, die nur in einem der Kreise aufgelistet sind, wahrscheinlich nicht so einfach sind, wie sie sein könnten. Dieses Muster kann sich jedoch auch umkehren, je nachdem, wie viel Erfahrung die Klasse mit der Zerlegung komplexer Verhaltensweisen in ihre einfachsten Schritte hat.
F: Gab es Ähnlichkeiten zu den erfolgreichen Lösungen? Wenn ja, welche waren das?
A: Die erfolgreichsten Lösungen waren jene, die die meisten Details und Genauigkeiten enthielten. Der Roboter ist in einer Sprache mit sehr spezifischen Verhaltensweisen programmiert, die in ihre kleinsten Bestandteile zerlegt wurden. Beispielsweise ist es vielleicht üblich, von einem Roboter zu sagen, er „lege einen Meter zurück und kehrt zum Ausgangspunkt zurück“, aber diese allgemeine Beschreibung lässt sich beim Programmieren nicht so leicht übertragen. Man muss es noch weiter aufschlüsseln: fährt 1 Meter vorwärts, dreht sich um 180 Grad und fährt 1 Meter vorwärts. Aber selbst das ist möglicherweise nicht präzise genug und Sie benötigen diesen Detaillierungsgrad, um programmierbereit zu sein: Stellen Sie die Fahr- und Wendegeschwindigkeit auf 40 % ein, fahren Sie 1 Meter vorwärts, warten Sie 3 Sekunden, biegen Sie 180 Grad nach links ab, warten Sie 1 Sekunde und fahren Sie 1 Meter vorwärts. Je weiter wir komplexe Verhaltensweisen aufschlüsseln, um sie zu programmierbereitem Roboterverhalten zu machen, desto besser sind wir auf den Abschluss eines Projekts vorbereitet.