Mit Robotik die Zukunft gestalten

Wenn Ihr Lehrer zu Ihrer College-Zeit sagte:„Lassen Sie uns etwas über die Theorie der Pulsweitenmodulation lernen; Schlagen Sie Seite 1.453 in Ihrem Lehrbuch auf“, könnten Sie es tun, und Sie würden wahrscheinlich die Theorie lernen. Aber was wäre, wenn Ihr Lehrer sagte:„Lassen Sie uns etwas über die Pulsweitenmodulationstheorie lernen, indem wir einen Roboter so schnell wie möglich von einem Ende dieses Labyrinths zum anderen bewegen.“ Welche Option würdest du wählen?

Ich würde mich jeden Tag für Roboter und Labyrinthe entscheiden. Und genau das habe ich getan. Vor zwei Jahren half ich Texas Instruments bei der Entwicklung einer Robotik-Kit-Reihe für den Universitätsunterricht namens TI Robotics System Learning Kit (TI-RSLK), die darauf abzielt, eingebettete Systeme und Anwendungen zu unterrichten, ein Grundstudium, das in den meisten Elektro- und Computertechnik-Lehrplänen üblich ist.

Das Ziel des TI-RSLK-Lernkits ist es, praktische Erfahrungen zu sammeln und gleichzeitig die Fähigkeiten zur Integration der Hardware- und Softwarekomponenten zu entwickeln, aus denen jedes elektronische System besteht.

Während der Entwicklung des Kits habe ich mich gefragt, ob es möglich wäre, komplexe Systeme und technische Konzepte besser so zu erklären, dass die Schüler zum Lernen und Erforschen angeregt werden – und ihnen vielleicht sogar dabei helfen, Theorien zu verbinden, die in der Klassenzimmer zu praktischen Erfahrungen. Könnte ich es auf unterhaltsame und interaktive Weise tun?

Das neueste Kit enthält das LaunchPad™-Entwicklungskit für den SimpleLink™ MSP432P401R-Mikrocontroller, Infrarot- und Stoßsensoren, eine TI-RSLK-Chassisplatine, einen kostenlosen, umfassenden Lehrplan, der in 20 Module unterteilt ist (einschließlich Startcodes, praktische Aktivitäten und Übungen) und mehr.

Mit dem TI-RSLK lernen die Studierenden grundlegende technische Konzepte, indem sie einen Roboter bauen und anschließend testen, der komplexe Aufgaben oder Herausforderungen lösen kann – von der Erkundung eines Labyrinths (Abbildung 1) über das autonome Rennen bis hin zum Finden eines Objekts, Navigieren durch ein Hindernis oder einer Linie folgen. Darüber hinaus können die Schüler fortgeschrittenere Konzepte erkunden, wie das Verständnis von Wi-Fi®-Kommunikationsprotokollen, während sie sich an Herausforderungen wie der Roboter-zu-Roboter-Kommunikation oder der Steuerung des Roboters über Wi-Fi und sogar Bluetooth® arbeiten.

Abbildung 1:Ein Ingenieurstudent testet den TI-RSLK in einem Labyrinth (Quelle:Texas Instruments)

Das Team der TI University hatte die Gelegenheit, Hand in Hand mit Jon Valvano, einem langjährigen Dozenten für eingebettete Systeme an der University of Texas, an der Entwicklung des Kits und des Lehrplans zu arbeiten. Nachdem ich ihn kennengelernt hatte, erfuhr ich, dass er sicherlich eine große Leidenschaft dafür hat, die Lernfähigkeiten der Schüler zu verbessern, und viele Stunden außerhalb des Klassenzimmers verbringt, um Schülern bei der Lösung von Problemen zu helfen. Darüber hinaus unterrichtet er seine Klasse unter Verwendung von branchenüblichen Software- und Hardwaretools und bietet einen relevanten Lernpfad zur Systemintegration. Die Art der Zusammenarbeit zwischen Jon Valvano und seinen Schülern sorgt für eine effektive Ausbildung und hoffentlich bessere Ingenieure für die Welt.

Effektive Systemintegration und „System Thinking“ sind wichtig bei der Lösung von Problemen im Maschinenbau. Die Entscheidungen, die Ingenieure bei der Hardware- und Softwareauswahl und beim Design treffen, wirken sich letztendlich auf die Effektivität ihrer Lösungen aus. Es gibt eine grundlegende Fähigkeit, die Hightech-Mitarbeiter von heute unabhängig von ihrer beruflichen Funktion brauchen:die Fähigkeit, ein ganzes Problem zu sehen, zu zerlegen und zu lösen. Für Ingenieure und den Engineering-Prozess sind die einst eigenständigen Elemente des Designzyklus – Technologien, Funktionen und Designer – heute interdisziplinär und involviert Entwicklungsteams, von denen erwartet wird, dass sie hoch entwickelte Produkte liefern. Um dies zu erreichen, müssen Ingenieure Systemdenker sein, die komplexe technische Konzepte über mehrere Disziplinen und Produkte hinweg verstehen können, um vielfältige Konstruktionsprobleme zu lösen.

Der pädagogische Ansatz des TI-RSLK ermöglicht es den Studierenden, das „Warum“ des Ingenieurwesens zu lernen, anstatt nur das „Wie“ zu lernen. Dieser Ansatz hilft den Schülern zu verstehen, was passiert, wenn der Roboter beispielsweise nicht funktioniert, und wie sie den Debugging-Prozess durchlaufen, um alle möglichen Gründe dafür zu beseitigen. Was das Team der TI University in den heutigen Klassenzimmern sieht, ist, dass Studenten beim Lernen ins Stocken geraten oder frustriert sind, weil ihr Code bricht oder ihre Lösung nicht funktioniert – und sie nicht wissen, wie sie das Problem beheben können. Also geben sie auf und wenden sich Dingen zu, die sie verstehen … oder schlimmer noch, wenn sie noch am Anfang ihrer Ingenieurkarriere stehen, geben sie das Ingenieurwesen ganz auf.

Ich habe aus erster Hand gesehen, wie Roboter die Schüler beschäftigen, aber auch ihre Kreativität anregen. Im vergangenen Sommer ließ TI seine Praktikanten den TI-RSLK bei einem Mini-Wettbewerb testen. Die Schüler konnten Lösungen finden, damit ihre Roboter eine Labyrinth-Herausforderung entweder schneller oder genauer meistern, oder sie konnten eine Kategorie „kreativ“ eingeben, um Roboter mit lustigen Bewerbungen einzureichen. Mein persönlicher Favorit war das Projekt, bei dem der TI-RSLK verwendet wurde, um ein mobiles Mülleimer-Spiel zu entwickeln. Der Roboter hielt die Punkte, während Sie Schüsse in die Dose machten, während er für eine zusätzliche Herausforderung herumstreifte. Ich finde es toll zu wissen, dass die Studenten grundlegende technische Konzepte gelernt haben und gleichzeitig Spaß daran hatten, ihre eigene einzigartige Anwendung zu erstellen.

Systemdenken und praktisches Lernen sind entscheidend für die Ausbildung zukünftiger Ingenieure. Wenn Sie dieses Denken mit einer Lernerfahrung kombinieren, die eine relevante Ausbildung beinhaltet und in Zusammenarbeit mit Branchenexperten und Hochschulen entwickelt wurde, ist dies eine Win-Win-Situation für alle. Noch spannender ist, dass die Möglichkeiten, die sie tun können, endlos sind, sobald die Schüler verstehen, wie sie praktisches Wissen zusammen mit ihrer Kreativität und Vorstellungskraft einsetzen können, um Lösungen für die heutigen technischen Probleme zu finden.