איך לנצח בתחרויות רובוטיקה ... ולמה זה טוב?

פרופ' יורם רייך

מוטיבציה קצרה

הכניסו את המילים "תחרויות רובוטיקה" בגוגל ותקבלו הרבה אתרים. רובם מכילים מידע על כל מיני תחרויות ומעט אתרים על קבוצות ואנשים שזכו בהן. בחלק מהאתרים מסבירים זוכים בתחרויות ואנשי מקצוע מה עשו או מה צריך כדי לזכות.

כל המידע הזה בעל ערך. ברם, לא תמיד ניתן ליישם את המידע הזה על המקרה שלכם או מקרה אחר. לא תמיד ברור האם התובנות מבוססות על ידע אישי או הרגשה, או שאלו הן דעות שלא בהכרח מבוססות על בחינה מעמיקה.

המטרה של דף מידע זה היא להכיר לכם דרך מיוחדת ושונה מאחרות שנבדקה באופן מדעי ותוצאותיה יוצאות הדופן נותנות פירות לאורך שנים.

ראשית, למה טוב לנצח בתחרויות רובוטיקה? לכולנו התשובה ברורה: כי כולנו אוהבים לנצח. אבל אם נתייחס ברצינות לשאלה, ניווכח כי דרך התחרות לומדים כל מיני ערכים וידע ורוכשים יכולות. גם על אלו ניתן לקרוא במקומות אחרים באינטרנט, אבל התוצאות המובאות בדף מידע זה נבדקו והוכחו לאורך זמן.

בבסיס, כל אחד שישתתף בפרויקט רובוטיקה ירכוש ידע ויכולות. חלק מהמשתתפים גם יזכה בתחרות. השאלה היא האם לאור ההשקעה העצומה בזמן ומשאבים מצד המשתתפים ואלו שתומכים בהם, נותן למצות יותר מהחוויה. התשובה היא חיובית. החוכמה היא לדאוג למצות ולהעצים את המירב בכל משתתף ולדאוג באופן מובנה, ע"י שיטות מוכחות להצלחה ולמצוינות של כל משתתף. זה ניתן למימוש כפי שמוצג כאן.

תקציר

מתקיימים כיום בארץ קורסים רבים של רובוטיקה לתלמידי תיכון ואפילו עממי. ברבים מהקורסים האלו משולבת השתתפות בתחרויות בארץ ובעולם (FIRST, רובונר ואחרות). הקורסים הללו מתמקדים בעיקר בטכנולוגיה הקשורה לרובוטים: מכניקה, מפעילים, גלאים, אלקטרוניקה, בקרה, תכנות, וכד'. ישנן גם חברות שמספקות ציוד והדרכה לקורסים כאלו בנוסח זה. תלמידים בונים רובוטים בהתלהבות בלתי רגילה והשקעה עצומה ומתחרים בתחרויות אלו. דרך ההתנסות הם לומדים את החומר הטכני באופן טוב בהרבה מאשר אילו היו לומדים אותו באופן רגיל.

יש רק פרט אחד שחסר ברוב הקורסים האלו. זהו פרט קטן ומהותי שמפריד בין הטובים למעולים. הפרט הזה מסתכם בלימוד תהליך תכן (design) סדור מלווה בכלים תואמים את המשימה של תכנון רובוט, לרוב אוטונומי.

יש לא מעט אנשים כולל מהנדסים ותיקים שאומרים שתכן זה משהו יצירתי שלא לומדים, או שלומדים אותו לאורך שנים ע"י התנסות, או שכל מנחה פרויקט יכול ללמד תכן מהניסיון שלו. אין דבר רחוק מהאמת בכל הטענות האלו. תכן מוצר מורכב כמו רובוט מחייב הליך סדור בו הדרישות מהרובוט מנותחות באופן מסודר ומתורגמות למרכיבים פשוטים וברורים ומהם מתנהל תהליך בו יוצרים מספר פתרונות רעיוניים (concepts), בוחנים אותם ואת אפשרויות הכשל שלהם, ובוחרים פתרון אחד או שניים להמשיך בפיתוח מפורט. כמעט תמיד מתקיים תהליך איטרטיבי של תיקון ואפילו של התחלה מחדש בגלל ידע שנאסף תוך כדי התהליך. ניהול של תהליך מורכב כזה כדי לא לאבד ידע, לסנכרן נכון בין החומרה לתוכנה, בין כל המרכיבים לבין בקרתם, דורש כלים מיוחדים.

כאשר לא מבצעים תכן כראוי יש כישלונות. להלן אוסף כישלונות כזה. כאשר מתכננים רובוט ולא חושבים כיצד הוא יכשל, נכשלים! כל מי שמפתח משהו, ראוי שיאמץ נקודת מחשבה פסימית. "סוף מעשה במחשבה תחילה" צריך להיות עיקרון מנחה בכל רגע ורגע בפרויקט.

במהלך מחקר רב שנתי, מקיף, במספר בתי ספר תיכון, שבוצע ע"י ד"ר אלי קולברג כעבודת הדוקטורט לו, אפיינו ד"ר קולברג, אנוכי (פרופ' יורם רייך) ופרופ' איליה לוין, אוסף של שיטות תכן שהשימוש בהן מביא לתכן ובניית רובוטים מעולים ומנצחים. השיטות הן:

דרישות אטומיות – atomic requirements

תכן קונספטואלי – conceptual design tools

לוגיקה עמומה – fuzzy logic

מיקרו-תכנות - microprogramming

חשיבה יצירתית – creative thinking

סבילות תקלות – fault tolerance

בקרה עם ייצוג דואלי – dual representation control

השימוש בשיטות אלו כמכלול מביא גם לתועלות הבאות:

התלמידות והתלמידים שיפרו את ציוני המתמטיקה, פיסיקה וכימיה שלהם.

התלמידות והתלמידים שפרו את יחסם לטכנולוגיה ורבים מהם\ן בחרו להמשיך ללימודי הנדסה.

התלמידות והתלמידים שפרו את יכולות התכן שלהם\ן ואת תוצרי התכנון כולל זכיה בתחרות רובוטים בין לאומית. (ראה סרטון של הרובוט המנצח מהתחרות של 2005 בארה"ב ונתונים אחרים על התחרות).

שנה לאחר סיום המחקר, התלמידים שלמדו את הקורס זכו בתחרות הבין לאומית באופן מרשים עוד יותר.

בדיקה לאורך השנים מראה כי מורות שעברו הכשרה בשיטת הלימוד הביאו את תלמידיהן להישגים מרשימים כולל זכיה בתחרויות רובוקאפ.

תכנון הקורס ותוצאותיו היו מזכות אותו בקלות בהכרה של ABET לתוכניות לימודים להנדסה למרות שמדובר בקורס של תיכון.

להלן פרוט של הפרויקט הנ"ל. אם ברצונכם ללמוד על השיטות האלו יותר, פנו אלי באימייל.

תוכן:

1. תאור הפרויקט

2. פרויקטים קשורים

3. מידע נוסף

4. סדנאות למוסדות חינוך או חברות תכנון

5. הרצאות (1-2 שעות)

6. פרסומים מדעיים

7. קטעי עיתונות

8. תמונות \ קטעי וידאו

תאור הפרויקט:

הקדמה

לעיתים קרובות נכשלים תכנונים שעשו מהנדסים היות והמתכננים השתמשו בשיטות תכן כלליות לכל תכן מוצר שהוא. הדרך לעבור לתכנונים יותר הולמים היא לבצע תכנונים תלויי הקשר. המפתח לתכנון של מתכננים הוא הבנה טובה של מהו נוהג התכן הנכון ומה צפוי להיות בעתיד, בכדי להכין את המתכננים להשתתף בכך באופן יעיל. בהתבסס על ניסיוננו בתכן ובהוראה, גזרנו רשימת מיומנויות שצריכים להיות למתכננים. לאחר מכן השתמשנו בחשיבה שמתבצעת לאחרונה לגבי שיטות הוראה ולמידה ודיסציפלינות קשורות אחרות, כבסיס לתכנון קורס שייקח תלמידי תיכון חסרי ידע בתכנון ויהפוך אותם למתכננים בעלי יכולת. למעבר הזה היו השפעות חיוביות על מיומנויות למידה כלליות של התלמידים.

עניינו אותנו במיוחד מערכות מכטרוניות עקב השכיחות הרחבה שלהן, השילוב של מספר תחומי הנדסה ומדעים בתוכן, והאופי המורכב שלהן. בתכן של הקורס עשינו שימוש במספר שיטות תכן מובנות. השימוש שלהן בתהליך התכן אפשר לנו להגיע ממטרות הקורס עד לאמצעים להשגתן באופן שיטתי.

באמצעות תכנון זהיר, יישום ובחינה, פיתחנו תכנית לימודים לקורס שהשיגה את מטרותיה המוצהרות באופן ראוי לציון. הושקעה עבודה יסודית בתכן של מתודולוגיית התכן, שבסיומה נבחרו שש שיטות תכן להרכיב את המתודולוגיה: תכן קונספטואלי, תכן עמידות לכשלים, שימוש בלוגיקה עמומה לבקרת הרובוט, שימוש בדרישות אטומיות למפרט ולתוכנה, שימוש בחשיבה יצירתית לפתרון בעיות, ותכן מיקרו-תכנות. שיטות התכן הללו הן שלמות ואורתוגונליות. מהתוצאות ניתן להסיק שמתודולוגיית התכן והתאמתה לתלמידי תיכון הביאה לתוצאות מוצלחות, כאשר לכל אחת משש שיטות התכן יש את תרומתה הייחודית לתכן, לתוצר התכן – הרובוט הנייד – ולתלמידים. התלמידים היו מודעים לשיטות התכן שהם למדו וראינו שהתלמידים פיתחו יכולות של בחירה בשיטות התכן המתאימות לבעיות מסוימות שבהן הם נתקלו במהלך הפרויקט. שתי דוגמאות הן שימוש בשיטת Pugh לבחירת מנגנון הנעה/היגוי לאחר יישום של כלי ה- QFD, וכן ביצוע תהליך חשיבה יצירתית בכדי להתגבר על בעיית רכיבי הרצפה הלא אחידה בזירה.

נקטנו כאן באמצעים מקיפים מאשר נהוג בדרך כלל בשיטות אימות. זוהי הפעם הראשונה שמתודולוגיית תכן נבחנת בצורה מקיפה כל כך ומוכחת כמוצלחת עם תוצאות משכנעות. בעזרת אותה גישה של מתודולוגיית תכן, ניתן ללמד קורסים באקדמיה ובתעשייה, תוך קבלת תועלת מעמיקה אף יותר למתכננים.

המחקר התבצע בבית ספר תיכון בהקשר של קורס מכטרוניקה שנלקח על ידי תלמידי מדעים. הקורס שימש ככלי לחקירת מתודולוגיית תכן חדשה למערכות מכטרוניות. עיקר המחקר התבסס על נתונים כמותיים בתוספת מספר תובנות איכותיות שהתקבלו מהראיונות עם תלמידים, מורים ומומחים. חלק מהנתונים נותחו באמצעות כלים סטטיסטיים מתאימים.

מטרות המחקר

מטרת המחקר הייתה לפתח מתודולוגיית תכן חדשה, משולבת ותלוית הקשר, למערכות מכטרוניות, ולהוכיח את הצלחתה בפרויקט רובוטיקה בבית ספר תיכון. שאלות המחקר מתייחסות הן לתהליך התכן והן למוצר הסופי, הלא הוא רובוט אוטונומי נייד. המחקר התמקד בשאלות הבאות:

1. האם מתודולוגיית התכן שפותחה תשפר את האיכות של המוצר הסופי, הלא הוא רובוט שתוכנן על ידי צוותים שלמדו את המתודולוגיה? דבר זה הוערך על ידי מיקום הרובוטים והביצועים שלהם בתחרות רובוטיקה בינלאומית, ובאמצעות הערכת מומחים.

2. האם מתודולוגיית התכן שפותחה תשפר את כישורי התכן של תלמידי תיכון הלומדים מקצועות מדעיים? תשובה לכך התקבלה מהערכת מומחים לאיכות התכן, עבודת הצוות, צעדי ההכנה שננקטו, ועוד.

3. האם מתודולוגיית התכן שפותחה תשפר את הידע של תלמידי התיכון במקצועות המדעיים? דבר זה הוערך באמצעות ההפרש בין ציוני הבגרות של התלמידים במקצועות המדעיים לבין הציון שלהם בסוף כתה י"א באותם מקצועות.

4. האם מתודולוגיית התכן שפותחה תשפר את עמדות תלמידי התיכון כלפי הנדסה/טכנולוגיה? דבר זה הוערך באמצעות השינוי שחל בששה סולמות של עמדות: עניין בטכנולוגיה, מיגדר, תוצאות הטכנולוגיה, הקושי של טכנולוגיה, טכנולוגיה בתוכנית לימודים בית ספרית, וקרירה בתחום הטכנולוגיה.

שיטת המחקר

אוכלוסיית המחקר מנתה 127 תלמידי תיכון מארבעה בתי ספר שונים. כל בתי הספר הם בתי ספר תיכון עיוניים. כל התלמידים הם תלמידי מדעים שלמדו את קורס המכטרוניקה/רובוטיקה. פרופיל התלמידים היה דומה בכל בתי הספר. כל התלמידים השלימו את פרויקט הרובוט הנייד. בתי הספר ממוקמים באזור מרכז הארץ ומוספרו בספרות 1,2,3,4. חלק מהצוותים (73 תלמידים) ביצעו פרויקט של רובוט לכיבוי שרפות (נר דולק) המיועד להשתתף בתחרות בינלאומית לרובוטיקה, וחלק (54 תלמידים) ביצעו פרויקטים אחרים של רובוטים ניידים.

טבלה 1: מספר תלמידים שהשתתפו במחקר

מספר תלמידים במחקר	בית ספר
54	1
14	2
35	3
24	4

בתי הספר נבחרו בצורה אקראית לביצוע המחקר. בכל בית ספר נלמדה המתודולוגיה בצורה שונה, מלאה או חלקית. בבית ספר 1, מתודולוגיית התכן החדשה נלמדה במלואה לכל צוותי הרובוטיקה. בבית ספר 2, נלמדו רק חלק מששת שיטות התכן, כאשר שימוש בחשיבה יצירתית לפתרון בעיות, ותכן מיקרו-תכנות לא נלמדו. שימוש בדרישות אטומיות למפרט ולתוכנה הומר בלימוד דרישות תיעוד רגילות. בבית ספר 3, רק תכן קונספטואלי נלמד מתוך ששת השיטות. בבית ספר 4 לא נלמדה אף שיטה מבין ששת השיטות של המתודולוגיה. בבתי בספר שבהם מתודולוגיית התכן נלמדה בחלקה או כלל לא, התלמידים למדו בזמן מקביל את שיטת התכן המסורתית כמו שמופיע בתוכניות משרד החינוך. כל התלמידים בכל בתי הספר קיבלו את אותו זמן של עיסוק בשיטות תכן בדרך שתיארנו. תכנון הסכימה הלוגית של הלמידה נקבע בעקבות חוות דעת של המומחים לגבי חשיבות של כל אחת מהשיטות. המומחים הסכימו במידה רבה ששיטת תכן קונספטואלי היא חשובה מאוד לפרויקט ולתלמידים, כך שהשארנו את הלימוד שלה בכל בתי הספר למעט בית ספר 4, שהצוותים שלו שימשו כקבוצת ביקורת מוחלטת. המומחים הסכימו גם שתכן עמידות לכשלים חשוב גם כן, אולם במידה קטנה יותר מאשר תכן קונספטואלי. אנו השמטנו את לימוד שיטה זו מבית ספר 3, בכדי לראות אם נמצא הבדלים בין התלמידים של בית ספר 3 לאלו של בית ספר 4. בבית ספר 2 התלמידים למדו כמחצית מהשיטות כולל אילו שעל חשיבותם קיימת הסכמה בין המומחים.

טבלה 2: נושאי תכן שנלמדו בבתי הספר השונים

חשיבה יצירתית	תכנות מיקרו	דרישות אטומיות	לוגיקה עמומה לבקרה	תכן לכשלים	תכן רעיוני	בית ספר
✓	✓	✓	✓	✓	✓	1
		≠	✓	✓	✓	2
					✓	3
						4

הנתונים הקשורים לתוצאות, נאספו מאתר הרשמי של התחרות, תצפיות החוקר, תצפיות ושאלוני מומחים, ראיונות עם התלמידים, המורים והמומחים, דוחות הפרויקטים של הסטודנטים, ציוני סוף כתה י"א וציוני הבגרות של התלמידים במקצועות המדעים, ותוצאות קדם ובתר של שאלוני PATT שמילאו התלמידים לגבי עמדותיהם כלפי הנדסה/טכנולוגיה.

תקציר תוצאות

מתודולוגיית התכן שנלמדה הביאה לתוצאות האלו:

1. יכולת התלמידים לתכנן השתפרה וכך גם איכות המוצר הסופי (רובוט נייד) (ראה סרטון של הרובוט המנצח מהתחרות של 2005 בארה"ב ונתונים אחרים על התחרות).

2. ידע התלמידים במקצועות המדעיים השתפר בעקבות הקורס וכמו כן, ככל שנלמדו יותר שיטות תכן, השיפור בציונים גדל (טבלה 3). השיפור היה גדול יותר אצל הבנות אך לא באופן משמעותי סטטיסטית.

3. עמדות התלמידים כלפי הנדסה\טכנולוגיה השתפרו באופן משמעותי. במיוחד ראוי לציין כי חל שינוי בתפישה הכללית ממצב של התאמת לימודי טכנולוגיה לבנים למצב של התאמה שווה לבנים ובנות. כמו כן, ביחס לבנים, השינויים היו גדולים יותר אצל הבנות אבל לא באופן משמעותי סטטיסטית.

טבלה 3: שיפור ציונים בבתי הספר השונים בעקבות הקורס. השיפור הוא בנקודות מתוך 100.

הנתונים בטבלה הם עבור המקרים בהם מדגם התלמידים היה מספיק גדול. כל הנתונים משמעותיים מבחינה סטטיסטית

בית ספר	שיפור ציונים
	מתמטיקה	פיסיקה	כימיה	מחשבים
1	5.7	5.7	6.4	5.4
2	5.1	4.7
3	4.6	4.4
4	1.8	2.8

דיון והשלכות עתידיות של המחקר

שיפור תכן מוצרים בתעשייה

זוהי הפעם הראשונה שמתודולוגיית תכן מקיפה נבחנת באופן נרחב כזה ומוכחת כמוצלחת עם תוצאות משכנעות כאלו. התרומה של מחקר זה היא כפולה. ראשית, הראינו שלא קיימת מתודולוגיית תכן כללית יחידה הטובה לכל מוצר. למוצרים שונים ולהקשרים שונים, יש לבצע תכן של מתודולוגיות תכן שונות. התרומה של מחקר זה היא כפולה. ראשית, הראינו שלא קיימת מתודולוגית תכן כללית יחידה הטובה לכל מוצר. למוצרים שונים ולהקשרים שונים, יש לבצע תכן של מתודולוגיות תכן שונות. ניתן להשתמש בשיטות התכן שבהם השתמשנו עבור פיתוח המתודולוגיה, לפיתוח שיטות תכן להקשרים אחרים. שנית, ויותר במפורש, תוצאות המחקר של התכן תלוי ההקשר יכולות לתרום להיבטים תיאורטיים ומעשיים. בהיבטים המעשיים, תוצאות מחקר זה יכולות להיות מיושמות בפרויקטים תעשייתיים ופרויקטים של סטודנטים לתואר ראשון בהנדסה.

קידום החינוך

בהיבט של חינוך הנדסי ניתן ליישם את השיטות והתהליך שפותחו במחקר בפיתוח תכנית לימודים המכוונת למחלקות הנדסיות, או כזאת שמיועדת לסטודנטים שאינם סטודנטים להנדסה, לכיתות מדעיות בבית ספר תיכון, וגם להשתלמויות מורים ומנחים. באופן יותר פרטני, ניתן ליישם את תוצאות המחקר לשיפור הידע של תלמידי תיכון במקצועות המדעיים, לשיפור עמדות תלמידי תיכון כלפי הנדסה/טכנולוגיה ולהגברת כמות התלמידים המעוניינים ללמוד מקצועות הנדסיים באוניברסיטה.

השלכות חברתיות

הצלחת השיטה אינה מותנית בסוג אוכלוסיה מיוחד למרות שהתלמידים שהשתתפו במחקר היו מכיתות מדעיות בבתי ספר עיוניים. ניתן ללמד את השיטה גם לאוכלוסיות תלמידים אחרות במגזרים שונים ברמה נמוכה יותר וע"י כך להביא לתנופה ביכולתם העיונית, במוטיבציה שלהם ללמוד ובמתן כלים של תכן המאפשרים לתלמידים לראות כי יש להם דרך לפעול בסביבתם ולהצליח. התוצאות עבור בנות מעט טובות יותר מבנים ומראות כי ע"י המחקר ניתן לקרב בנות גם כן למקצועות טכנולוגיים.

פרויקטים קשורים:

1. RQFD – שיטת תכן לתיעדוף פעילויות

2. SOS – שיטת תכן לתכנון אוסף פעילויות לצורך מתן מענה לרשימת צרכים

3. AMISA – שיטה לתכן אדפטיבי של מערכות כדי לעמוד בשינויים שונים

4. לימוד בקרה ע"י שני ייצוגים דואליים

מידע נוסף:

1. www.robotica.co.il

2. תחרויות רובוטיקה

סדנאות למוסדות חינוך או לחברות:

1. בדבר פרטים, שלחו דואר אלקטרוני לפרופ' יורם רייך.

הרצאות (1-2 שעות):

2. תכנון סביבות למידה ללימוד תכן הנדסי

3. תכנון מתודולוגיות תכן

4. קורס רובוטיקה לתלמידי תיכון כמנוף חינוכי וטכנולוגי

פרסומים מדעיים:

1. E. Kolberg, Y. Reich, and I. Levin, “Project-based high school mechatronics course,” International Journal of Engineering Education, 19(4):557–562, 2003.

2. I. Levin, E. Kolberg, and Y. Reich, “Robot control teaching with state machine based design method,” International Journal of Engineering Education, 20(2):234–243, 2004.

3. I. Levin, E. Kolberg, and Y. Reich, “Designing control system for mobile educational robot,” INFO International Journal on Informatics in Education, 3:87–94, 2004. (Invited paper, in Russian).

4. Y. Reich, E. Kolberg, and I. Levin, “Designing contexts for learning design,” in Proceedings of Mudd Design Workshop V, Harvey Mudd College, CA, 2005.

5. E. Kolberg, Y. Reich, and I. Levin, “Transforming design education by design,” in Proceedings of the 17th International Conference on Design Theory and Methodology (DTM), (New York, NY), ASME, 2005.

6. Y. Reich, E. Kolberg, and I. Levin, “Designing designers,” in CDROM Proceedings of the 15^th International Conference on Engineering Design (ICED), The Design Society, 2005.

7. Y. Reich, E. Kolberg, and I. Levin, “Designing contexts for learning design,” International Journal of Engineering Education, 22(3):489-495, 2006.

8. E. Kolberg, Y. Reich, and I. Levin, “Designing design methodologies for robotics products,” First Israeli Conference on Robotics, 2006.

9. E. Kolberg, Y. Reich, and I. Levin, “Analysis of adapting engineering design methods to high school educational robotics project,” First Israeli Conference on Robotics, 2006.

10. E. Kolberg, Y. Reich, and I. Levin, “Designing winning robots by careful design of their development process,” Research in Engineering Design, 25(2):157-183, 2014.

קטעי עיתונות ישראליים:

1. תוצאות התחרות משנת 2004 (ynet, 7.7.04).

2. דיווח על התחרות משנת 2005 (ynet, 12.4.05).

3. דיווח על הכנס הראשון לרובוטיקה בישראל 2006 (ערוץ 7, 13.7.06), (עיתון הצופה).

4. דיווח על המחקר שהוצג בכנס: (walla 13.7.06), (ג'רוזלם פוסט, עמוד 6, 6.8.06 [כתבה עם מספר טעויות])

תמונות \ קטעי וידאו:

1. תחרות 2005

Page URL: http://www.eng.tau.ac.il/~yoram/courses_heb.html

Last modified: 4/7/2014 9:01:00 PM