Výukoví roboti: nástroj pro rozvoj algoritmického myšlení

Takový robot musí splňovat řadu parametrů, pokud má být ve školním prostředí použitelný – snadné programování, slušnou odolnost vůči mechanickému poškození (jde o pomůcku pro děti, takže věc by měla být buď zcela nerozbitná, nebo alespoň jednoduše opravitelná), bezpečnost a přitažlivost. Právě přitažlivost pro žáky bude zcela klíčová, jestliže se mají s takovým zařízením skutečně sžít a pracovat s ním. V tomto ohledu není možné parametr přitažlivosti podceňovat. Výukoví roboti mají nesporný potenciál na všech stupních vzdělání, ale je zřejmé, že na různých stupních se bude volit odlišný výklad i motivace.

Předmětem našeho zájmu budou takoví roboti, jejichž cena se pohybuje do 100 USD. Důvod je jednoduchý – jestliže má být taková pomůcka skutečně použitelná ve škole, musí mít každý žák ve skupině (typicky v polovině třídy) vlastní zařízení, se kterým si může experimentovat a jednoduše zkoušet, zda to, co právě vymyslel a naprogramoval, skutečně funguje. Lze si představit, že škola do takového vybavení investuje částku okolo 1500 USD, ale ne o mnoho více.

Situace na trhu

V současné době je na trhu celá řada různě kvalitních a různě komplexních řešení. Existují již hotová „krabicová řešení“, ale neméně zajímavé jsou varianty pro výrobu ve škole či doma. Na internetu najdeme jen seznam pro nákup a návody, jak roboty sestrojit krok za krokem. Zvláště v případě odborných škol může jít o zajímavý týmový projekt, v případě škol základních nebo gymnázií většinou zřejmě sáhneme po dražší, ale již hotové „hračce“. Případně se zde otevírá prostor pro zajímavou meziškolní výpomoc. Podíváme se proto stručně na zástupce obou skupin výukových robotů.

MIT SEG se neprodává jako hotový robot, ale je třeba si ho poskládat a vyrobit. Na webu je k dispozici manuál, nákupní lístek (primárně určený pro Amazon, ale v podstatě vše se dá sehnat i u nás) i patřičný software na programování. Jedno zařízení přijde na necelých 21 dolarů a uvnitř tepe Arduino Pro Mini (používá se téměř u všech robotů). Mimo hardware a software řeší i výuku, dokumenty, postupy, metodiky. Na projektu je patrné, že vychází z dílny MIT a má jednoznačný didaktický rámec.

AERobot také pochází z MIT. Cena je 10,70 USD a jde o variantu, kdy si robota uživatel poskládá zčásti sám. Vše je vlastně jen jeden plošný spoj s procesorem ATmega168 na frekvenci 20 MHz. Sestavení je velice jednoduché a podle autorů by nemělo zabrat více než deset minut v případě, že jej skládá naprostý nováček. Programuje se skrze prostředí Minibloq, což je prostředí určené dětem. Obsahuje také diodu pro uchování binárního stavu nebo IR ovládání i s čidly (včetně optických) a USB výstup.

Tiny CNC neboli Plotterbot je kreslicí robot. Cena je od 6,40 do 15 dolarů v závislosti na komponentách a pohodlnosti ovládání po sestavení. Také si jej každý uživatel musí sestavit sám. Manuál v tomto případě rozhodně stojí za přečtení, protože dopodrobna řeší vše – jak sestavit, co koupit, kde ušetřit, jaké jsou možné alternativy atp. Robot slouží ke kreslení – do držáku se mu umístí tužka nebo propiska a programování spočívá především v nastavování trasy. Zajímavostí je, že projekt původně vznikl tak, že jeho autor jej chtěl sestavit z elektroodpadu ze skládky, takže může mít i poměrně zajímavý environmentální charakter.

Shield Bot stojí 69 dolarů a nabízí poměrně pěkné a kompaktní provedení vozítka s kolečky. Jde tedy o již smontované řešení nachystané na okamžité použití. Technicky stojí na platformě Arduino, je vybaven pěti IR porty, USB portem na programování a napájení a také řadou rozšiřujících slotů.

Pi-bot je již dražší, stojí 99 dolarů. Stroj je poháněn systémem Arduino a vypadá jako závodní autíčko. Autoři si dali práci nejen s pěkným provedením a dobrou manuálovou podporou, ale také s pohodlným a plnohodnotným programátorským přístupem, který je řešen pomocí jazyka C. Je tak vhodným doplňkem pro výuku programování v C, ale osobně bych pro začátečníky volil jiný programovací jazyk.

Svého zástupce má také Lego v řadě MindStorm, která je asi nejhezčí a nejpokročilejší. Nabízí širokou podporu, řadu rozšíření a například i ovládání pomocí mobilního telefonu. Na druhou stranu disponuje zásadní nevýhodou, totiž cenou, začínající na cca devíti tisících Kč za jednoho robota, což bude pro většinu škol nepřekonatelná částka. Dle mého soudu je mnohem lepší, když má každý žák k dispozici svůj stroj, než aby se jich pět nebo deset muselo dělit o jednoho, byť pěkného a dobře funkčního robota.

Informatické a algoritmické myšlení

Smyslem práce s roboty a jejich programování ve školní praxi je především rozvoj tvořivých kompetencí v oblasti informatiky. Zatímco klasická náplň hodin, jako je práce ve Wordu či PowerPointu, zasahuje spíše instrumentální dovednosti a vyšší patra Bloomovy taxonomie nezohledňuje, lze říci, že robot by měl do výuky informatiky přinést prvky tvořivého myšlení. Žák je zde typicky postaven před určitý problém, který má řešit, a disponuje prostředky, kterými jsou buď jeho znalosti, nebo technické možnosti daného zařízení. Musí se naučit problém dekomponovat na menší části a každou z nich systematicky analyzovat, popsat a vyřešit.

Jde o základní dovednost, která je nezbytná jak v programování samotném, tak také kdekoli, kde se s informatikou pro zpracování dat pracuje. Je téměř jedno, zda má žák za úkol vymyslet mechanismus zpracování dat ze sociologického výzkumu nebo naučit robota obcházet překážku. Myšlenkový koncept je podobný, jen robot je názornější a přehlednější.

V tomto ohledu by se neměla výuka práce s roboty a programování obecně omezovat na technické nebo přírodovědné školy, ale v dnešní době by měla být akcentovaná také u ekonomických a humanitních oborů, které jsou algoritmizací zasažené také, ale lidé je umí v průměru podstatně méně používat.

Bořivoj Brdička uvádí, že „informatické myšlení je proces postavený na snaze řešit problémy, který musí vykazovat minimálně tyto znaky:

• Formulace problému tak, aby k řešení bylo možné s výhodou použít technologie.
• Organizace dat do logické struktury.
• Reprezentace dat v abstraktní formě prostřednictvím modelů a simulací.
• Řešení realizované formou algoritmu (řada naplánovaných kroků).
• Hledání, analyzování a implementace možných řešení s cílem dospět k co možná nejúčinnějšímu a nejefektivnějšímu výsledku.
• Zevšeobecnění a přenesení způsobu řešení na širší škálu podobných problémů.“[1]

V tomto ohledu lze říci, že všechno lze pomocí výukových robotů dobře realizovat. Navíc se v jejich případě pěkně potkává abstraktní rovina – žák musí vymyslet obecný princip, jak vyřešit určitý problém (tedy programovat) – s  konkrétní okamžitou aplikací v praxi. Práce s výukovými roboty stojí do velké míry na experimentování a hledání správného přístupu, který by daný problém vyřešil co možná nejlépe. V témže článku se pak věnuje kompetencím a schopnostem, které by v rámci informatického myšlení měli žáci získat:

• Vnímání souvislostí.
• Vytrvalost při hledání řešení složitých problémů.
• Tolerování nejednoznačností.
• Schopnost pracovat na problémech s otevřeným koncem.
• Schopnost komunikovat a spolupracovat s někým na dosažení společných cílů.[2]

Zde si dovolím jen zdůraznit jeden rys, který je v současné pedagogice velice akcentován, v programování se na něj někdy trochu zapomíná. Tím je zmíněná spolupráce. Programátor nebo analytik není již dávno „vlk samotář“, ale člověk, který musí umět o problémech mluvit, spolupracovat s druhými a využívat jejich řešení i nápady. V tomto ohledu lze říci, že vhodně zadaná činnost žáků a dobře zvolené úkoly mohou pomoci v oblasti spolupráce a komunikačních dovedností také zde.

Žáci by se díky takto koncipované výuce měli naučit systematicky analyzovat svět kolem sebe, sledovat vztahy mezi jednotlivými objekty či fenomény a popisovat je formálním jazykem, který je typicky spojený s programováním. Jde o kompetence, které potřebuje přírodovědec stejně jako umělec nebo technik.

Závěrem

Využití robotů ve školní výuce může být mnohostranné a velice zajímavé, a to od zmíněné konstrukce robota až po programování, závody a soutěže nebo řešení různých problémů. Velice zajímavé je, pokud se pedagogovi podaří najít problémy, které se řeší podobně v jiné oblasti než v pohybu robota, a takto získané kompetence, zkušenosti a znalosti může žák uplatnit také jinde. Například práce s cykly a podmínkami nebo funkce a procedury jsou obecné struktury v programování, které se hodí stejně dobře k obcházení překážek jako k čištění dat.

Pro některé žáky je robot sám dost zajímavý (a je jich zřejmě většina) a práce s ním je baví. Jsou ale takoví, kteří jednak tvorbu těchto mostů potřebují a jimž především na počátku umožní pochopit, co to programování a algoritmické myšlení vlastně je. Anebo si rychle uvědomí, že oni sice robota v praktickém životě asi nikdy programovat nebudou, ale je pro ně dobrou pomůckou či nástrojem na cvičení pro úkony, které budou potřebovat.

Robot samozřejmě nepředstavuje jediný výukový nástroj pro rozvoj algoritmického myšlení a je jistě vhodné jej kombinovat s dalšími metodami, jako je klasické programování nebo modelování, případně hraní her, které informatické myšlení v různých formách rozvíjí. Jen pokud bude taková práce žáky opravdu bavit, můžeme se setkat s pozitivním výsledkem v podobě širokého spektra kompetencí a získání skutečně informatického myšlení. Naučit se nějaký konkrétní programovací jazyk, vhodný pro výkon konkrétní profese nebo činnosti, je pak více méně drobnost.

[1] BRDIČKA, Bořivoj. Informatické myšlení jako výukový cíl. Metodický portál: Články [online]. 22. 04. 2014, [cit. 2015-03-18]. Dostupný z WWW: <http://spomocnik.rvp.cz/clanek/18689/INFORMATICKE-MYSLENI-JAKO-VYUKOVY-CIL.html>. ISSN 1802-4785.

[2] Tamtéž.

Literatura

BRDIČKA, Bořivoj. Informatické myšlení jako výukový cíl. Metodický portál: Články [online]. 22. 04. 2014, [cit. 2015-03-18]. Dostupný z WWW: <http://spomocnik.rvp.cz/clanek/18689/INFORMATICKE-MYSLENI-JAKO-VYUKOVY-CIL.html>. ISSN 1802-4785.

COOPER, Martyn, et al. Robots in the classroom-tools for accessible education. Assistive technology on the threshold of the new millennium, 1999, 448–452.

HUBÁLOVSKÝ, ŠTĚPÁN; MILKOVA, E. Modeling of a real situation as a method of the algorithmic thinking development. In: Advanced Educational Technologies, Proceedings of 6th WSEAS/IASME International Conference on Educational Technologies (EDUTE’10), WSEAS Press, Kantoui, Sousse, Tunisia. 2010. p. 68–72.

KNUTH, Donald E. Algorithmic thinking and mathematical thinking. American Mathematical Monthly, 1985, 170–181.

MILLER, David P.; NOURBAKHSH, Illah R.; SIEGWART, Roland. Robots for education. In: Springer handbook of robotics. Springer Berlin Heidelberg, 2008. p. 1283–1301.

RESNICK, Mitchel, et al. Scratch: programming for all. Communications of the ACM, 2009, 52.11: 60–67.

SCHWANK, Inge. On the Analysis of Cognitive Structures in Algorithmic Thinking. Journal of Mathematical Behavior, 1993, 12.2: 209–31.

SINGH, R., et al. Robots for Education. In: Proceedings of the 3rd International Symposium on Autonomous Minirobots for Research and Edutainment (AMiRE 2005). Springer Science & Business Media, 2005. p. 230.

Příspěvek byl napsán v rámci projektu INTERES. CZ.1.07/1.3.00/51.0035.