Praktiline inseneriõpe käibtööl, kodus ja puhkehetkel

Äsja toimunud BALTECH konverentsil “Educational Environments of the Future and Quality of Teaching“ Lundis räägiti traditsioonilise õpetamise asendumisest individuaalselt välja kujunenud õppimisega ning uutest tehnoloogiatest, mis seda toetavad.

Siin oli ka TTÜ-l kaalukas sõna sekka öelda, eriti inseneriõppe ja kaugõppe uudsete lähenemiste osas. Nimelt on TTÜs juba pikemat aega tegeletud erinevate kodu- ja kauglaborite arendamise ning praktilist õpet toetavate e-infosüsteemide arendamisega. See, et tudengid õpingute ajal töötavad, on ammu teada fakt, mistõttu ei jõua nad tihti ka kindlaksmääratud ajal ning kohas toimuvatesse laboritundidesse. Samuti on täiendõppe korral inseneriõppes olulisel kohal praktiline töö, kuid töötavate inimeste aeg on väga piiratud, seetõttu ei saa nad pikematel õppesessioonidel osaleda. Nii vajabki tänapäeva õppija paindlikumat õppevormi, ilma et õpe kaotaks kvaliteedis, kuid oleks samal ajal paindlik ja arvestaks õppija personaalseid võimeid.

Innovatsiooniaastal räägitakse palju Eesti töötlevast tööstusest ja otsitakse uusi innovaatilisi ideid. Maailma juhtivate tehnoloogiavisionääride poolt paar aastat tagasi välja öeldud tõdemuse kohaselt tuleb järgmine tehnoloogiline revolutsioon kodu- ja teenindussektori robootikas (pärast IT-revolutsiooni paarkümmend aastat tagasi). Lisaks on enam kui selge, et kogu meie majandus vajab uusi tuuli. See omakorda tähendab noori hakkajaid spetsialiste ehk tehnikainsenere, kes suudaksid pakkuda innovaatilisi lahendusi tehnoloogiate väljatöötamises. Seega on põhjust juba täna mõelda sellele, et ka Eesti noored potentsiaalsed insenerid oleksid valmis kinni haarama muudatustest, mis juba toimuvad.

Loomaks eeldusi vastavate oskuste ja teadmiste omandamiseks tuleb rakendada huvitavaid ning kaasahaaravaid uudseid õpetamismetoodikaid, mis seoks omavahel nii IT, elektroonika, mehaanika kui ka füüsika. Et hea mõte ei jääks ainult sõnadeks, on TTÜs välja töötatud metoodika ja portatiivsed robootika kodulaborid (ehk “ehituskohvrid”), mida saab kasutada nii põhikoolis, ülikoolis kui ka täiendõppes.

Kodulabor on osa üldisemast, uutel tehnoloogiatel baseeruvast õppekontseptsioonist, millest teine osa on interneti kaudu robotite programmeerimine. Kodulaborid moodustavad kauglaboriga ühtse terviku: õppija saab kodus harjutada, kuidas erinevaid mootoreid juhtida või andureid kasutada, samas on tal võimalus interneti kaudu proovida oma teadmisi rakendada süsteemijuhtimiseks, milleks on reaalne seadmestik ülikoolis (antud juhul mobiilne robot). Robot on ehitatud analoogilistest komponentidest, mis on kodulaboris, võimaldades omandatud oskusi ka terviksüsteemi peal proovida. Roboti liikumisest ja tegemisest saab tagasisidet videokaamerate abil.

Robootika Kodulabor
Robootika Kodulabor on INTERSTUDY projekti raames välja töötatud portatiivne mehhatroonikasüsteemide õppevahendite komplekt, mida toetas ELi Leonardo da Vinci kutsehariduse programm. Kodulabori kontseptsioon ja moodulid on arendatud välja viie Euroopa tehnikaülikooli koostööna ja Tallinna Tehnikaülikooli Mehhatroonikainstituudi juhtimisel. Arendus ja valmistamine on toimunud põhiliselt Eestis ja praeguseks hetkeks on töös juba ka uute moodulite lisamine, mis on suunatud autotööstusele ja võimaldavad kasutada auto andmesidevõrku CAN-protokolli baasil.

Kodulaborid kätkevad endas erinevaid komplekte, mis sisaldavad mitmesuguseid funktsionaalseid mooduleid. Kasutajal on vaja ainult arvutit, kõik muu on komplektis olemas – alates toitejuhtmetest ja ühenduskaablitest kuni mõõteseadme ja tarkvarani. See võimaldabki kodulaborite suurt paindlikkust, näiteks raamatukogudes, arvutiklassides ja kodus. Mingeid lisaseadmeid ei vajata, piisab vaid tarkvara paigaldamisest, mis on tasuta, ja töö saabki alata. Riistvara ühendatakse arvutiga USB-kaabli kaudu. Komplekt sisaldab ka pedagoogilist materjali õpetaja jaoks, näiteid, õppevideosid, taustainfot ja harjutusülesandeid õpilase jaoks. Kodulaborid on komplekteeritud erineva varustatusega.

Kodulabori kasutajale on loodud e-võrgustik ehk tugikeskkond (http://homelab.autostudy.eu/), mis võimaldab õpetajatel pärast koolituse läbimist omavahelist koostööd jätkata, uusi ülesandeid luua ning lahendusi jagada. Lahendus töötab wiki-tehnoloogial, andes niimoodi lihtsad võimalused erinevate osapoolte koostööks. Õpilastel on omakorda võimalus kasutada olemasolevaid näiteid ja saada abi teistelt kasutajatelt. Lisaks saab kodulaborit kasutada interneti kaudu. On loodud spetsiaalne keskkond (http://www.mehhatroonika.ee), kus reaalne süsteem (mobiilsed robotid) on ülikooli laboris, mida saab programmeerida otse interneti kaudu. Tagasisidet saadakse kahelt videokaameralt, kus kasutaja näeb oma roboti tegevust reaalajas. Robotid on koostatud samadest moodulitest nagu kodulabor, kuid varustatud erineva seadmestikuga. Näiteks võib kasutada lihtsat navigeerimistehnikat navigatsioonialgoritmide praktiseerimiseks, masinnägemise moodulit objektide tuvastamiseks ja manipulaatorit mehaaniliseks manipuleerimiseks. E-keskkond tagab laboriseadmestiku haldamise, robotite broneerimise ja õiguste jagamise funktsioonid ning koodi kompileerimise ning suhtluse laboriserveriga. Süsteemi saab integreerida erinevaid kauglaboreid, luues erinevaid liideseid erinevatele seadmete gruppidele.

Laome robotit nagu legot

Robootika on viimasel aastal Eesti hariduses saanud üpris populaarseks, samuti on riigipoolne huvi ja toetus erinevate programmide kaudu tõusujoonel. Käivitatud on Tiigriroboti projekt, kus koolidele pakutakse LEGO NXT robotikomplekte koos õpetajakoolitusega. Lego-komplekt on väga hea robootikahuvi äratamiseks just põhikoolis ja on väga oluline, et õpilased, kel asja vastu huvi, saaksid kiiresti oma väikese roboti tööle – leiaks aset ahhaa-efekt. See loob eeldused sügavama huvi tekkimiseks ja edasi õppimiseks. Paraku on Lego lihtsus ka tema miinus. Lego baasil on raske reaalseid süsteeme luua või seadmete füüsikalisi toimeprintsiipe õppida. Siinkohal ongi lahenduseks Eesti Kodulabori komplekt – loogiline jätk Lego robotikomplektidele, võimaldades huvilistel edasi reaalse maailma poole liikuda. TTÜ Kodulabor baseerub Atmel-mikrokontrolleritel ja C/C++ programmeerimiskeelel, mis võimaldab kodulabori komponentidest ehitada nii roboteid kui ka muid praktilisi süsteeme nagu ise ehitatud koduvalvesüsteemid, läbipääsusüsteemid, automaatikarakendused jms. Õpilane saab omandatud oskustega lihtsasti ehitada väikese mehhatroonikasüsteemi – kasutamiseks kodus või koolis.

Oluline aspekt TTÜ kodulaborite juures on nende eestimaisus. Arendus ja kokkupanek käivad Eestis ning kui kasutajatel tekib vajadus uue funktsiooni järele, on seda lihtne uue mooduli näol realiseerida. Juba praegu arendatakse uusi autotööstusele suunatud CAN-mooduleid ning need lisanduvad selle aasta lõpus kodulabori moodulitevaliku hulka. Kodulabori kohapealne arendus tähendab lisaks kasutajate soovidele vastutulemist ka seda, et vastavate süsteemide arenduse oskusteave Eestis kasvab. Seega, mida rohkem kasutajaid, seda rohkem ka tippinsenere, kes kodulabori riist- ning tarkvara arendusega tegelevad. Oluline roll kodulabori rakendusnäidete valmimisel on olnud ja jätkuvalt on TTÜ ja IT Kolled˛i robotiklubidel, kus robotiehitamise ja tarkvaraarenduse oskusteave on viimastel aastatel oluliselt kasvanud.

Robootika on selgelt tulevikuala, mis puudutab lähiajal meid kõiki, ja koolid, mis selles vallas juba praegu töötavad, annavad oma õpilastele tugeva baasi saamaks insenerideks, kes hoiavad tuleviku olulistel valdkondadel kätt pulsil.

Kodulabori baaskomplekt

AVR ATMega128 arendusplaat
Harjutusplaat (nupud, LED, LCD väljund, 7-segment numbernäidik)
2x16 realine taustavalgustusega LCD
JTAG programmaator (USB) + kaabel
Näiteülesanded koos C lähtekoodiga (näidisharjutus), harjutusülesanded koos HEX-lahendusega
Toiteplokk, multimeeter, ühenduskaablid
Tarkvara Assembleris ja C-keeles programmeerimiseks
Kaasaskantav kohver