L'inseguitore di linea con Lego Mindstorms EV3

• Costruire un semplice modello matematico rispetto ad un problema posto (inseguire una linea).
• Utilizzare elementi base di programmazione (esecuzione sequenziale, ciclica e condizionata di istruzioni).
• Scoprire e utilizzare gli elementi base della teoria del controllo (feedback o retroazione).
• Comprendere gli algoritmi utilizzati in gran parte dei sistemi automatici (industriali e non).
• Accrescere l’interesse verso le discipline STEM (Science Technology Engineering Maths).
• Migliorare la capacità degli studenti di lavorare in gruppo.
• Accrescere la consapevolezza degli alunni verso i propri processi cognitivi attraverso la valutazione dell’Alternanza.

L’approccio pedagogico alla base del progetto è il Costruzionismo, una teoria proposta da Seymour Papert partendo dal lavoro di Jean Piaget.

L’apprendimento viene visto come una costruzione e ricostruzione di rappresentazioni mentali, più che come una trasmissione di conoscenza. Un apprendimento significativo si verifica con l’utilizzo di materiali manipolativi adeguati, che permettano la realizzazione di attività di costruzione di prodotti significativi (artefatti cognitivi) per lo studente. In questa senso, durante il progetto si è ipotizzato che la tecnologia e gli ambienti innovativi per l’apprendimento, adeguatamente introdotti nel setting didattico, potessero potenziare l’azione di apprendimento. Gli artefatti cognitivi sono stati sia i robot, costruiti e personalizzati dagli studenti, che i programmi preparati all’interno dell’ambiente Lego® Mindstorms® EV3 per la risoluzione dei problemi posti.

In questo lavoro vogliamo ricordare la definizione di robotica educativa:
"Con il termine robotica educativa (in inglese Educational Robotics) si individuano strumenti, processi e metodologie basate sulle teorie costruttiviste, in cui l’apprendimento nasce dal poter costruire un vero e proprio oggetto. L’ideazione, la progettazione, la costruzione, l’assemblaggio e la programmazione di un robot consentono a studenti di tutte le età di poter “imparare a imparare." [7]

Altra metodologia adottata per la realizzazione del progetto è stata quella dell’apprendimento basato sulla risoluzione dei problemi e apprendimento “challenge-based” [8]. All’inizio di ogni lezione è stato proposto un problema o una sfida che gli studenti hanno risolto lavorando in team; cosa che inserisce per merito anche l’apprendimento collaborativo tra le strategie scelte in fase di progettazione dell’attività.

I risultati sono strettamente connessi agli obiettivi precedentemente presentati:

• Costruire un semplice modello matematico rispetto ad un problema posto (inseguire una linea).
• Utilizzare elementi base di programmazione (esecuzione sequenziale, ciclica e condizionata di istruzioni).
• Scoprire e utilizzare gli elementi base della teoria del controllo (feedback o retroazione).
• Comprendere gli algoritmi utilizzati in gran parte dei sistemi automatici (industriali e non).

• Il 100% degli studenti coinvolti (circa 60) è riuscito a risolvere il problema “base”, ossia inseguire la linea, arrivando a costruire l’algoritmo di controllo proporzionale.
• Il 25% degli studenti coinvolti (circa 15) è riuscito a risolvere la sfida finale, combinando creativamente quanto appreso durante il corso.

• Accrescere l’interesse verso le discipline STEM (Science Technology Engineering Maths).
• Migliorare la capacità degli studenti di lavorare in gruppo.
• Accrescere la consapevolezza degli alunni verso i propri processi cognitivi attraverso la valutazione dell’Alternanza.

• Accrescere l’interesse verso le discipline STEM (Science Technology Engineering Maths). Q1, Q2, Q3, Q6, Q10.
• Migliorare la capacità degli studenti di lavorare in gruppo. Q7, Q8, Q9.
• Accrescere la consapevolezza degli alunni verso i propri processi cognitivi attraverso la valutazione dell’Alternanza. Q4, Q5, Q11.

Possiamo concludere che i 3 obiettivi sono stati raggiunti in modo soddisfacente: infatti la media di ogni risposta è > di 3, la soglia minima che ci si era prefissati di raggiungere.
Da migliorare sicuramente il potenziamento del lavoro di squadra, obiettivo che ha ottenuto il punteggio più basso (barre in rosso all’interno del grafico).

Vediamo come Norbert Wiener, grandissimo matematico statunitense, nella sua opera "Introduzione alla cibernetica - L'uso umano degli esser umani" ci spiega il concetto di retroazione:

Con retroazione si intende “la proprietà di essere in grado di modificare il futuro comportamento tramite le performance passate”.
“feedback, the property of being able to adjust future conduct by past performance”

In un altro passaggio, troviamo anche questo esempio di funzionamento di un ascensore come applicazione pratica del feedback:

“Se stiamo facendo funzionare un ascensore [Se siamo i progettisti dell’ascensore, NdR], non è sufficiente far aprire le porte esterne [in un qualsiasi momento, NdR] perché gli ordini che abbiamo dato dovrebbero far trovare l’ascensore davanti a quella porta [la porta dell’edificio, NdR] nel momento in cui le facciamo aprire. È importante che l’apertura delle porte sia dipendente dal fatto che l’ascensore sia realmente alla porta dell’edificio; diversamente se qualcosa può averlo trattenuto, il passeggero potrebbe cadere nella tromba. Questo controllo di una macchina sulla base dello stato attuale piuttosto che di quello previsto è conosciuto come retroazione […]”

Una possibile attività di questo tipo venne proposta anche da Seymour Papert, in “Teaching Children Thinking”.
Nell’immagine seguente, si vede come il “robot veicolo” utilizzato da Papert e caratterizzato da un sensore di luce riflessa (emettitore e ricevitore) posizionato nei pressi di una linea nera, rilevi un valore maggiore (light = 10) se interamente puntato sul bianco, un valore intermedio se puntato a metà tra bianco e nero (light = 3), un valore basso se puntato interamente sul nero (light = 0).
Papert nel suo articolo utilizza queste immagini per spiegare il problema:

Per far sì che il robot insegua la linea Papert propone che lo studente implementi l’idea del feed-back (o controllo in retroazione), seguendo un modello di questo tipo:

E arrivando ad una procedura semplice come la seguente:

TO WALK
IF LIGHT < 4 ROTATELEFT
IF LIGHT > 6 ROTATERIGHT
FORWARD 1
WALK
END.

(Se la luce rilevata è < 4, gira a sinistra
Se la luce rilevata è > 6, gira a destra
Vai avanti di 1
….)

Si parla di robot che seguono una linea anche in “La fabbrica dei robot” di Augusto Chioccariello, Stefania Manca, Luigi Sarti, ed in questo caso l’attività è proposta addirittura per bambini della scuola dell’infanzia, come primo approccio alla robotica.

[1] http://www.diag.uniroma1.it/~deluca/rob1/17_PianifContrRobMob.pdf
[2] https://www.youtube.com/watch?v=sJ-FXGD5iJo
[3] https://www.youtube.com/watch?v=_Tdu2H1HHIA
[4] https://www.youtube.com/watch?v=FHDMN0gnGtA
[5] https://goo.gl/D2MG2r
[6] https://goo.gl/htXLUK
Una versione estesa dell’articolo (con un’analisi maggiormente approfondita dei dati) è stata pubblicata sulla rivista Mondo Digitale.
[7] Definizione proposta da Emanuele Micheli di Scuola di Robotica in Human Centered Robotic Design.
[8] http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=7971875
[9] https://shop.lego.com/en-US/EV3-Color-Sensor-45506
[10] Robotcar e il moto rettilineo
[11] Corso Robotica a scuola con LEGO Mindstorms EV3 

LEGO, il logo LEGO e MINDSTORMS sono marchi e /o copyright di LEGO Group. © 2018 The LEGO Group. Tutti i diritti riservati.