Encouraging creative thinking and innovation with Lego robots
Barbara Strnad
Povzetek
V informacijski dobi je ključnega pomena, da otroke usposobimo za samostojno navigacijo v morju podatkov in da jim privzgojimo odgovornost za pridobivanje znanja. Sposobnost samostojnega učenja, samoiniciativnosti je še posebej pomembna na področju znanosti in tehnologije, saj se mora dober raziskovalec in inovator venomer izobraževati in iskati nova znanja. Zagotoviti moramo učno okolje, kjer otroci lahko krepijo kreativno mišljenje in razvijajo inovativne rešitve. V članku je podrobneje predstavljen robotski del (tekma robotov s tehničnim intervjujem), ki sicer predstavlja polovičen delež multidisciplinarnega programa First® Lego® League, ki ga je v Slovenijo pripeljal Zavod Super Glavce, Zavod za promocijo znanja. Podan je pregled načina dela in priprave na robotski del tekmovanja, kjer otroci nekaj mesecev gradijo in programirajo avtonomnega lego robota, ki lahko opravi čim več nalog na tekmovalnem poligonu v omejenem času. Pri tem nastaja tehnična mapa, kjer otroci beležijo napredek, težave in načine reševanja problemov, opišejo strategije in inovacije. Tehnična mapa je osnova za pripravo na tehnični intervju. Način dela z lego roboti na pripravah za First® Lego® League tekmovanje je mogoče zelo uspešno prenesti tudi v razred pri temi algoritmični način razmišljanja in programiranje.
Ključne besede: First® Lego® League, lego roboti, inovativne rešitve, kreativno mišljenje, programiranje
Abstract
It is of great importance in the information age to equip the children with the capability of independent navigation in the flood of all available data and responsibility towards acquiring knowledge. The ability of independent learning, self-initiative is particularly important in science and technology, since good researchers and inventors have to constantly educate themselves and seek for new knowledge. We must provide a learning environment, where children can enhance creative thinking and develop innovative solutions. The article further presents the robotic part (a robot game with a technical interview) that is half of the multidisciplinary program First® Lego® League, which was brought to Slovenia by Super Glavce, the Institute for the Promotion of Knowledge. There is an overview of several months’ work and the preparation for the robotic part of the competition, where children have to build and programme an autonomous robot that can complete as many tasks on the competition mat as possible in a limited amount of time. During this process a technical portfolio is being made, where children record the progress, the problems and describe ways of solving the problem, explain strategies and present innovative solutions. The technical portfolio is the basis for the technical interview. The ways of working with lego robots in preparation for the First® Lego® League competition can be successfully replicated in class with the topic of algorithmic way of thinking and programming.
Keywords: First® Lego® League , lego robots, innovative solutions, creative thinking, programming
Uvod
V prispevku želimo pokazati, da so Lego roboti zelo učinkovit učni pripomoček, ki omogoča razvijanje logičnega mišljenja, kreativnosti in močno poveča zanimanje otrok za učenje programiranja. Sodelovanje otrok pri pripravah na tekmo robotov v okviru multidisciplinarnega programa First® Lego® League (FLL) spodbuja iskanje kreativnih in inovativnih konstrukcijskih in programskih rešitev. Način dela v programu FLL, kjer se dejavnost osredotoča na otroke, kjer se otroci skozi ustvarjanje, lastno delo in izkušnjo učijo, se da prenesti tudi v razred.
1. Osrednji del besedila
Ker živimo v dobi visoke tehnologije in vstopamo v dobo robotov, smo na gimnaziji Novo mesto pred tremi leti pri pouku pričeli z aktivnostjo lego robotika. Lego roboti omogočajo spoznavanje delovanja in upravljanja robotov na zabaven način. Ravno tako smo imeli v mislih ugotovitev, da si otroci v Sloveniji v povprečju ne želijo učiti naravoslovnih in tehničnih vsebin (Skurjeni, Dolinšek in Strašek 2008), podobno velja tudi v razvitih državah (Sjøberg in Schreiner 2010).
Ker so otroci visoko motivirani, če imajo pred seboj cilj, smo želeli delo na robotih še bolj osmisliti, zato smo se vključili v program (FLL). Tudi raziskave so pokazale, da raziskovalni program FLL poveča zanimanje otrok za naravoslovje in tehnologijo (Melchior, Cutter in Kingsley 2013).
FLL je mednarodni multidisciplinarni raziskovalni program, ki spodbuja radovednost, kreativnost, sodelovalno učenje in skupinsko delo. Zaradi premišljenega, učinkovitega in za mlade privlačnega koncepta spoznavajo STEM (science, technology, engineering, and math) na drugačen način kot smo ga vajeni pri rednem pouku. S pomočjo atraktivne robotike se otroke navdušuje za naravoslovje in tehniko, kjer se skozi igro razvija in krepi logični in tehnični način razmišljanja.
V robotskem delu FLL skupine načrtujejo, sestavijo, programirajo in testirajo avtonomnega robota tako, da lahko opravijo vrsto nalog, misij med 2,5 minute trajajočo tekmo na FLL polju. Naloge na FLL polju celostno predstavljajo najbolj tipične probleme aktualnega FLL izziva: v sezoni 2014 je bila tema Ves svet je učilnica, v sezoni 2015 Poti smeti, v sezoni 2016 Živalski zavezniki (Slika 1 in Slika 2).
Slika 1. FLL polji iz sezone 2014 – Ves svet je učilnica in sezone 2015 – Poti smeti 
Slika 2. FLL polje iz 2016 – Živalski zavezniki
Priprave na regijsko, državno tekmovanje in kasneje na mednarodno, so potekale zelo intenzivno. Šele v tretji sezoni smo prvič naleteli na otoka, ki je že imel nekaj izkušenj z lego roboti. Res pa je, da so bili vsi člani ekipe veliki navdušenci nad lego kreacijami. Velika večina otrok znanja s področja programiranja sploh ni imela, le redki so se srečali s programiranjem v Scratchu.
Delo se prične v začetku septembra, ko ekipe prejmejo komplete kock za sestavljanje modelov za na FLL polje. Paziti je potrebno, da so modeli sestavljeni pravilno, da se resnično natančno sledi navodilom, saj lahko napačno sestavljen model vpliva na izbiro strategije reševanja in precej spremeni potek robotske igre.
Pri sestavljanju modelov (Slika 3) lahko otroci dobijo veliko znanja in idej povezanih z mehanskimi napravami in mehanizmi. V modelih se skriva veliko, od osnovnih mehanskih načel do naprednih mehanskih naprav, mehanizmov in konstrukcij iz realnega življenja. Že pri sestavljanju modelov, se lahko posvetijo raziskovanju prestavnih mehanizmov z raznimi zobniki.
Ko je tekmovalno polje v celoti postavljeno, sledi natančen pregled nalog oz. misij, kar vključuje tudi natančno in večkratno branje navodil ter ogled videoposnetkov z opisom zahtev, ki jim bo robot moral zadostiti. Otroci nato določijo strategijo reševanja nalog. Naredi se natančen plan poti, ki ga vrišemo na kopijo polja, da si vizualiziramo pot (Slika 4). Pomembno si je označiti tudi točke sigurnosti, morda tudi uporaba senzorjev
Slika 3. Pri sestavljanju modela za na FLL polje Slika 4. Primer načrta robotskih voženj
Sledi gradnja osnove robota iz robotskega seta Mindstorms EV3 Education. Pri gradnji osnove je zelo pomembno, da pazimo na velikost, težo, izbiro najustreznejših gum, načrt uporabe senzorjev in njihove pozicije, kje bo locirana robotska roka. Pomembno vprašanje je, ali je robot dobro uravnotežen, ali je težišče na pravem mestu. Nepravilna razporeditev teže prinese nezanesljivost robota, ki lahko nezaželeno zavija, zato je zelo pomembna lega pametne kocke. Prav tako ne smemo zanemariti teže nastavkov in priključkov, ki lahko nezanesljivost robota še povečajo.
Pri izbiri gum je potrebno opraviti več testnih voženj. Večja kolesa so lahko hitrejša, vendar manj natančna, z manjšimi kolesi je robot počasnejši, lahko pa dosežemo večjo natančnost. Trše gume se manj deformirajo in manjkrat odstopijo od platišča. Zadnja kolesa ali drsniki se morajo gibati v vseh smereh in biti na enaki višini kot sprednja kolesa.
Za pogon lahko uporabimo štiri velike pogonske motorje ali pa tri velike pogonske motorje in en srednji motor. Osnova robota ima po navadi dva do tri svetlobne senzorje, žiro senzor, morda tudi stikalo.
Skonstruirati si želimo čim bolj trdno, kompaktno osnovo z ravnimi stranicami, ki služijo poravnavi ob zid, rob tekmovalnega poligona. Pri vožnji ob zidu nam bodo morda prišla prav majhna stranska kolesa. V mislih moramo imeti tudi menjave nastavkov na robotu, ki si jih želimo opraviti čim bolj elegantno, hitro in uspešno, tudi s tresočimi rokami na tekmovanju. Robot mora biti zgrajen tako, da omogoča prost dostop do vhoda za polnjenje baterije in USB vhoda.
Slika 5. Primer osnove tekmovalnega robota
Vzporedno z gradnjo osnove se posvetimo učenju programiranja. Naši delovni pripomočki so knjige, učbeniki in svetovni splet, kjer je prava zakladnica idej in pripomočkov za učenje. Začnemo z različnimi izzivi: vožnja naravnost je zahteva, posebno, ko si želimo voziti hitro, vzdrževanje smeri z žiro senzorjem, sledenje črti (Slika 6).
Ko smo zadovoljni z osnovo robota, ki se okretno, s primerno hitrostjo in močjo natančno premika po FLL polju, lahko začnemo s konstrukcijo nastavkov. Težimo k temu, da je robot sestavljen iz gradnikov, ki so kompaktno in smiselno spojeni in večine senzorike in motorjev.
Starejši otroci, ki so v programu že sodelovali imajo pri prenosu svojih izkušenj in znanja izreden pomen. Svoje mlajše kolege naučijo osnov dela ter opozarjajo na ovire in pasti, ki se kar prehitro pojavijo na tekmovalnem poligonu. Z medvrstniškim sodelovanjem v vseh fazah in področjih dela, se gradi pozitivna klima v skupini. Otroci se preko pogovora, skupnega razmišljanja ter skozi odkrivanje, raziskovanje in 
razpravo učijo drug od drugega. Poskušamo ustvarjati učno okolje, ki učenca spodbuja k večji aktivnosti, učinkovitejšemu učenju, zavzemanju za kakovostno znanje in prevzemanju odgovornosti za to.
Slika 6. Test programa za sledenje črti
Sprva zabavno in zelo sproščeno delo z roboti pripelje otroke pred nove izzive iz mehanike in programiranja. Po navadi se izkaže, da so nekateri otroci izraziti konstruktorji, drugi boljši programerji, redki so zelo dobri na obeh področjih. Za učinkovito reševanje nalog in odpravljanje problemov na robotski mizi je ključnega pomena dobro sodelovanje tako konstruktorjev kot programerjev. Oboji natančno opazujejo kaj se z robotom dogaja, analizirajo njegovo vožnjo, poskušajo ugotoviti vzrok neželjenega obnašanja robota in ga odpraviti. Pri tem so nam lahko zelo v pomoč počasni posnetki vožnje robota. Vsako vožnjo je treba poskusiti čim večkrat, v različnih pogojih, na različnih tekmovalnih poljih in tako pridobiti čim več izkušenj, predvideti čim več možnih napak in jih seveda poskusiti preprečiti, bodisi konstrukcijsko ali programsko. Želimo si zagotoviti čim večjo natančnost pri opravljanju vseh nalog.
Da otrokom ne zmanjka motivacije, je v začetku novembra organiziran vseslovenski trening robotske tekme, kjer lahko svojega robota in izbrano strategijo primerjajo z ostalimi ekipami. Trening tekme robotov nam po navadi da novega zagona in idej ter pove, da nas čaka še kar nekaj dela, kar pa v enaki meri velja tudi za vse ostale ekipe. Trening je odlična priprava na tekmovanje (Slika 7).
Slika 7. Tekma robotov
Pri delu se ves čas izdeluje tudi robotski dnevnik v katerem je potrebno na nazoren način predstaviti potek sestavljanja robota in programe za njegovo avtonomno delovanje. Dnevnik razdelimo na tri spretnostna področja.
V enem poglavju se posvetimo mehanskemu konstruiranju, kjer predložimo dokaze za strukturno celovitost: vzdržljivost, mehansko učinkovitost in mehanizacijo robota. Robot mora biti zmožen zoperstaviti se fizičnim vplivom na tekmovanju, pri izvajanju nalog mora biti natančen.
V drugem poglavju se posvetimo programiranju (Slika 7): kvaliteti in učinkovitosti programiranja. Prikažemo proces programiranja in korake pri izboljšavi programov (uporaba zank, svojih blokov, matematike in komentarjev).
Tretje poglavje je namenjeno strategiji in inovacijam. Tu predstavimo celotni cikel izboljšav, proces razvijanja in razlago izboljšav, modifikacij, prednosti in slabosti naših rešitev, možne napake,… Jasno opišemo, definiramo 
strategijo za reševanje vseh nalog. Posebej izpostavimo inovacije in osnovne lastnosti robota, ki dodajo veliko vrednost.
Slika 8. Izsek iz robotskega dnevnika
Tretje poglavje je namenjeno strategiji in inovacijam. Tu predstavimo celotni cikel izboljšav, proces razvijanja in razlago izboljšav, modifikacij, prednosti in slabosti naših rešitev. Robotski dnevnik služi kot osnova pri pripravi na tehnični intervju, kjer dijaki ocenjevalcem predstavijo proces gradnje robota, nastavkov in programiranja. Na intervjuju je potrebno prikazati vožnjo robota, na katero smo najbolj ponosni, ter odgovoriti na vprašanja sodnikov.
Glavne kompetence, ki jih učenci pridobivajo je razvijanje domišljije in prostorskih predstav, osvajajo matematična in tehnološka znanja, učijo se programiranja, spoznavajo različne računalniške tehnologije, pri tem sodelujejo med seboj in s strokovnjaki. Gre za izkustveno učenje, razvijanje kreativnosti in inovativnega reševanja problemov. Kreativnost je ustvarjanje novih povezav, ki pa se lahko zgodijo le, če umu omogočamo prožno ter prilagodljivo delovanje. Pri tem je bistveno, da dobi možnost pri iskanju novih rešitev desna možganska polovica, ki jo vznemirja eksperimentiranje in sanjarjenje (Račnik 2010). Vse to FLL omogoča in spodbuja.
Otroci se v šoli srečujejo pretežno s teoretičnimi vsebinami, ki ne razplamtijo njihove radovednosti in želje po učenju. Dijaki potrebujejo izziv in motivacijo, da se lahko lotijo kreativnega reševanja problema. Lego robote, tako WeDo kot Mindstormsi, se lahko uporablja pri pouku kot motivacijo za učenje programiranja in izzive iz konstruktorstva. Tudi pri pouku si pomagamo z znanjem in izkušnjami iz FLL programa. Otroci si lahko sami izberejo izziv, ki se ga lotijo: ali je to izdelava glasbenega instrumenta, na katerega se lahko zaigra, lahko si izberejo konstruiranje, izdelavo in programiranje robota, ki prikazuje primer avtomatizacije doma (model pralnega stroja, zalivalca rož, tipkarskega asistenta, sortirnega stroja), morda izdelajo model živali, bitja, kjer poskusijo posnemati način hoje, … Dijaki si nivo zahtevnosti lahko prilagodijo predznanju in izraženemu interesu.
Dogovorili smo se, da se bomo programiranja učili skozi reševanje problemov, ki so jih zapisovali v poročilo. Pogovorili smo se o strategijah reševanja problemov in ugotovili, da ne obstaja le ena pot do znanja, da ni edina pot čakanje na učiteljevo demonstracijo in razlago. Vsaka skupina je na srečanjih zapisala s katerim problemom se ukvarja, kaj smo se naučili prejšnjič in kaj vse bo še potrebno razrešiti. V uvodnih urah smo izbirali probleme, ki so bili skupni večini otrok, več je bilo učiteljevega pojasnjevanja. Kasneje so otroci postajali samostojnejši, učili so se s preizkušanjem, medsebojnim sodelovanjem, iskali rešitve na spletu. Delo z roboti je pri dijakih povečalo zanimanje dijakov za učenje programiranja. Ker so motivirani, sami poiščejo željene informacije za reševanje svojega, izbranega problema. Prav tako so mnogo bolj učinkoviti, ko si lahko sami izbirajo metode dela. Na koncu je sledila predstavitev dela skupin z izdelano dokumentacijo. Lego roboti so super didaktična igrača, ki jo lahko pri pouku uporabljamo kot motivacijo (Slika 9) za učenje programiranja.
Slika 9. Priložnost predstaviti svoje delo na mednarodnem tekmovanju je izjemna motivacija (Razorback Invitational, University of Arkansas, 2015 in World Championship v St. Louisu, 2014)
3. Zaključek
Sodelovanje v FLL me je zaznamovalo, kot učitelja, kot posameznika, zelo sem spremenila način poučevanja. Otroci imajo sedaj precej aktivnejšo vlogo pri učenju, raziskovanju. Kot učitelj sem večinoma njihov mentor, pomočnik in usmerjevalec, včasih celo mediator. Učitelj usmerja učence k razmišljanju o dosežkih, s čimer se povečuje njihova vključenost v spremljanje lastnega učnega procesa, posledično pa tudi njihova odgovornost za lastno delo in kakovost dosežkov.
Otroci, ki so in še sodelujejo v programu pridobijo širok spekter znanj. Računalniška logika jim omogoča razumeti in programirati robota; tehnično znanje jim pride prav, ko sestavljajo orodja: motorji, senzorji, vzvodi, zobniki jim ne predstavljajo večjih težav; znati pa morajo sodelovati tudi z ostalimi člani svoje skupine in dodati svoj kamenček v mozaik, ki ga skupaj sestavljamo.
Takšen način dela je precej drugačen od šolskega vsakdanjika, pa vendar kliče k uporabi. Takšen način dela zahteva od učencev drugačno delo, vendar pa učenci postanejo samostojnejši, kvaliteta znanja pa se v kombinaciji z izkušnjami močno poveča.
4. Literatura
- Melchior, Alan. Cutter, Tracy. Kingsley, Chris. 2013. Evaluation of FIRST LEGO League.
- Račnik.2010. Postani najboljši vodja. Šore: Marja Račnik s.p.
- Sjøberg, Svein. Schreiner, Camilla. 2010. The ROSE project. An overview and key findings.
- Skurjeni, Drago. Dolinšek, Slavko., Strašek, Rok. 2008. Zanimanje in želje osnovnošolcev za učenje naravoslovja. 1854-4231, letnik 3, številka 4. 363-378.
Pogled kroz prozor 