Bruk av Arduino-plattformen for økt motivasjon for programmering hos elektroingeniørstudenter

Transkript

1 Bruk av Arduino-plattformen for økt motivasjon for programmering hos elektroingeniørstudenter J. Bjørk, O.H. Graven, Høgskolen i Buskerud og Vestfold SAMMENDRAG: Elektroingeniørstudenter ved forfatternes institusjon gjennomfører et emne i programmering og mikrokontrollere på første studieår. Det ble tidligere kjørt over to semestre, med C++ programmering for PC, og assembler og C programmering av PIC18 mikrokontrollere i separate semestre. Programmeringen av PIC18 kontrollerne ble av praktiske hensyn gjennomført på simulator, og vurderingsformen var en skriftlig eksamen. Dette er et emne det har vært vanskelig å motivere studentene til, og de jobbet relativt lite med faget. Siden det å lære seg å programmere betinger at studentene benytter tid til praktisk arbeid opplevde vi dessverre at mange studenter gav opp og resultatene var deretter. I 2013 ble det gjennomført en total revisjon av emnet, og det gjennomføres nå på ett semester. Assembler, PC, PIC18-programmeing er erstattet med utvikling på Arduino-plattformen. Arduino-plattformen er et "open-source" prosjekt som inkluderer programvare og maskinvare. Studentene blir tilbudt å kjøpe sine egne startpakker med Arduino-kort og et utvalg sensorer og aktuatorer. De eier da sin egen lab og kan jobbe med den hvor og når de vil. Det er lettere å motivere studentene når de ser fysiske hendelser på systemet de jobber med og ikke kun målte endringer av spenningsnivåer. Den første delen av semesteret består av forelesninger og laboppgaver som er relevante for ukens forelesning. Den skriftlige eksamen er byttet ut med et prosjekt hvor de enten kan definere sin egen prosjektbeskrivelse eller få en utdelt. Det har vist seg at studentene synes det er spennende og mange av studentene jobber mye med dette prosjektet. 1 INTRODUKSJON Studentene skal i emnet lære seg å programmere en mikrokontroller. Med programmering menes å skrive instruksjoner som skal kjøres på en datamaskin. Når man skriver slik kode kan man enten skrive det på lavnivå som i assembler programmering, eller på høynivå i et språk som C/C++ eller Java. En av fordelene med å skrive programmer i et høynivå språk er at det gjerne blir mer leselig for mennesker. Koden må da kompileres eller oversettes til maskinspråk før den kan kjøres på datamaskinen. Datamaskinene studentene bruker i dette emnet er små mikrokontrollere. En mikrokontroller er en liten datamaskin på en integrert krets med en prosessor, minne og pinner for kommunikasjon. Mikrokontrollere brukes i alt fra relativt enkle systemer som vaskemaskiner og støvsugere til mer avanserte som biler og roboter. Slike mikrokontrollere kan monteres på utviklingsbrett for enklere å kunne programmere dem og integrere dem i kretser. Utviklingsbrettene har blant annet ofte en USBport for kommunikasjon med en pc og enklere tilgang til kommunikasjonspinnene enn det en mikrokontroller har. En del studenter stiller spørsmålet «Hvorfor må elektroingeniører lære programmering?» Svaret på dette er at: Et flertall av nyutdannede elektroingeniører fra forfatternes institusjon går ut i jobb i lokal industri. Dette er stort sett høyteknologiske bedrifter og en undersøkelse blant disse viser at et stort flertall (størrelsesorden 80%) av elektroingeniørene har programmering som en av hovedarbeidsoppgavene. Dette betyr ikke at de kan erstattes av dataingeniører da oppgavene krever mye kunnskap om elektronikk og kontrollsystemer. En viktig presisering her er å skille med det forfatterne ser på som programmering og det som er fagområdet programvareutvikling. Programmering eller koding som det ofte refereres til som, er en aktivitet som omfatter det å skrive inn programkode for å løse små eller delers av oppgaver og i en del

2 tilfeller testing av disse delene. Programvareutvikling inkluderer alt fra planlegning av et programvaresystem, det å designe arkitekturen og strukturen som skal benyttes i programmet, design og valg av algoritmer for det ferdige programmet, selve programmeringen (kodingen), testing av moduler, integrering av moduler og testing av disse integrerte modulere og hele systemet, og til slutt legge til rette for videre vedlikehold i systemet sin levetid. Emnet «Programmering og mikrokontrollene» gjennomføres av studentene i Bachelor i Ingeniørfag elektro første semester, og har følgende læringsutbytte: Studenten skal ha kunnskap om C/C++ programmering og mikrokontrollere sin oppbygging og virkemåte. Studenten skal kunne spesifisere og kode enkle programmer i C/C++ og bruke utviklingsverktøy for mikrokontrollere samt sette sammen enkle kretser. Studenten skal også ha kompetanse på strukturert problemløsning og dokumentasjon av programmer de har utviklet selv. Emnet tilbys også som valg-emne for studentene på linje for maskin. 2 PEDAGOGISK GRUNNLAG. Grunnlag for øvelsene og opplæring for emnet programmering og mikrokontrollere er prinsippet om at studentene lærer mer når de er aktive, i stedet for bare passive lyttere. Passivitet i læring blir dessverre av en del studenter foretrukket, fordi det virker som en enkel mulighet på kort sikt, alt er forberedt og du kan bare lene deg tilbake og la det skylle over deg. Studenter som ikke kommer seg ut av en slik passiv tilstand vil vanligvis lære kun litt av materialet som blir presentert, og deretter vil tendens til å skylde veileder. Et pedagogisk opplegg som er basert på konstruktivist tankegang gir en del retningslinjer for hvordan vurdering bør gjennomføres. For det første bør vurderingen gjøres som en del av undervisningsopplegget, ikke bare noe som er lagt til i etterkant. Fordelene med et slikt integrert opplegg er vel dokumentert se f.eks [1]. I tillegg er det viktig at vurderingen verifiserer at læringen har funnet sted og at studentene faktisk har tilegnet seg forståelse og ikke bare pugget en del fakta. Prinsippet med å holde studentene aktive og benytte en riktig og integrert vurdering som en del av undervisningsopplegget danner grunnlaget for hvordan hele emnet som er beskrevet er her gjennomført. Det å gi studentene en variert adgang til læringsmaterialet, holde dem aktive og jevnlig gi dem tilbakemeldinger på fremdriften er sett på som grunnleggende. 3 ARDUINO-PLATFORMEN Arduino[2] er en plattform for utvikling av elektroniske kretser med mikrokontrollere. Den ble designet for å gi studenter og hobbyutviklere en utviklingsplattform som er billig og lett å bruke. Plattformen består i dag av omtrent 20 ulike utviklingsbrett og et nedlastbart utviklingsmiljø til både Windows, Mac og Linux maskiner. Dette brukes til å skrive kode som overføres til mikrokontrollerne. Arduino brettene programmeres i C/C++. Dette er svært mye brukte programmeringsspråk og de språkene de fleste av studentene kommer til å møte i arbeidslivet. Hele Arduino-plattformen er «opensource», både utviklingsmiljøet og tegningene til utviklingsbrettene og det er et stort miljø av utviklere, både hobbyutviklere og profesjonelle, som deler sine prosjekter og erfaringer på internett. 3.1 Startpakken Studentene blir tilbudt å kjøpe en startpakke med alt de trenger til laboratorieoppgavene og eksamensprosjektet av institusjonen. De alle fleste valgte å kjøpe pakken og i 2014 kostet den 300 kroner. Pakken inneholder et Arduino Nano kompatibelt kort. Det er et kort med en Atmel Atmega 328 mikrokontroller. Det har 14 GPIO pinner hvorav 6 kan levere puls bredde modulerte signaler. Det har også 8 analoge input pinner. Kortet har 32 KB flash minne og 16 MHz klokkehastighet. Kortet er ment for montering på et koblingsbrett. Dette er vist i Figur 1a. Pakken inneholder også en del sensorer, RFID sensor, IR sensor, trykksensor, fotoresistor og knapper og en del aktuatorer servomotor, LCD-display, 4x7segment display, 8x8 led-matrise, buzzer, ir-led og en del led-pærer i

3 forskjellige farger. Det følger også med et koblingsbrett, ledninger og en USB-kabel for tilkobling til pc. Innholdet i pakken er vist i Figur 1b. Figur 1a Figur 1b 4 UNDERVISNINGSOPPLEGGET Undervisningen består av ukentlige forelesninger hvor det blir gjennomgått programmeringsinstruksjoner med en del eksempelkode. Det er planlagt å lage en del korte videosnutter som tar for seg de enkelte instruksjonene og eventuelt andre ting som viser seg å være vanskelig. Disse er ment som repetisjon og ikke en erstatning for forelesningene. Det er også ukentlige laboratorieøvinger med oppgaver knyttet til ukens forelesning. Her vil studentene få hjelp til å løse praktiske oppgaver. Studenten har gjennom hele semesteret tilgang på en prototype lab, Dronesonen, Dronesonen er et sted studentene kan sitte og der kan de se andre «eldre» studenter jobbe med tilsvarende prosjekter og oppgaver. Flere av disse prosjektene er dokumentert på Dronesonen sin webside[3]. Når studentene arbeider eller er innom Dronesonen kan de låne fler av de enhetene de har i startsettet de har kjøpt og et utvalg av batterier, sensorer, kommunikasjonsenheter og aktuatorer. De sensorene vi har for utlån inkluderer: ultralyd avstandsmåler, laser, IR avstandsmåler, joystick, gyro, akselerometre, HAL effekt sensorer, GPS, etc. Kommunikasjonsenheter inkluderer slikt som Ethernetmoduler, GSM, Blåtann, og enkle sendere med kort rekkevidde. Ekstra aktuatorer er slikt som Steppermotor, touch LCDskjermer, forskjellige typer LED. Studentene har også tilgang på 3D printer og små modellbiler for de som kommer så langt. Som det mest avanserte de kan benytte er droner, f.eks quadkopter men dette er nok litt for avansert for førsteårsstudenter 4.1 Eksamensprosjektet Den siste måneden av semesteret skal studentene jobbe med et prosjekt. Studentene er oppfordret til å spesifisere egne oppgaver. Oppgavene skal være delt inn i deloppgaver av økende vanskelighetsgrad hvor alle bør få til de enkleste, men hvor de vanskeligste oppgavene går litt utenfor det som er gjennomgått slik at de flinkeste studentene må tilegne seg kunnskap på egenhånd. Det blir ikke lagt vekt på at produktene skal være nyttige, men det blir forsøkt å legge fokus på kreativitet og skaperglede. Oppgave spesifikasjonen skal leveres i god tid før prosjektet skal starte slik at faglærer kan gå gjennom oppgaven og i samråd med studenten justere om det er nødvendig. Det har vist seg at omtrent halvparten av studentene velger å spesifisere sine egne oppgaver. De av studentene som ikke ønsker å spesifisere egne oppgaver får en utdelt ved prosjektstart. Prosjektet varer i en måned og skal resultere i en rapport og en prototype. Kode og rapport skal leveres før eksamensperioden begynner. På selve eksamensdagen skal studentene ta med seg det de har laget og demonstrere det for sensorene. Deretter går sensorene gjennom koden og diskuterer den med studenten.

4 Noen eksempler på prosjekter er vist i figur 3. Figur 2a viser en enkel mobiltelefon. Det er koblet til en mikrofon og hodetelefoner slik at man kan bruke den til å ringe med. Den kan også sende og ta imot tekstmeldinger. En annen student har laget en 3D printet robot hund denne er vist i figur 2b. Den bruker servomotorer for å bevege både ben, hode og hale. Den har ultralyd sensorer som øyne og den vrir på hodet og måler avstand i forskjellige retninger for å unngå å kollidere. Studenten har lagt ut både tegninger og kode tilgjengelig for andre på internett via websiden tingiverse[4]. Figur 2c viser et prosjekt hvor studenten har laget en arkademaskin. Den har spillene Snake og Pong. Spillene spilles på en liten skjerm og man bruker knapper og potmetere som kontrollere. En pil av papp er montert på en servomotor for å indikere poeng. Figur 2d viser en automatisk persienne kontroller. Den har en lysfølsom sensor slik at persiennene går ned når det blir for lyst. Et potmeter simulerer en vindmåler slik at om det blåser for mye så går persiennene opp. I tillegg kan persiennen styres både opp og ned og blendes med en fjernkontroll. Det mekaniske er bygget av Lego. Figur 2a Figur 2b Figur 2c Figur 2d 5 RESULTATER Det nye opplegget for emnet «programmering og mikrokontrollere» som er beskrevet i denne artikkelen har vært gjennomført to ganger. Underveis evalueringene har vært gjennomfør i de tre siste årene har vist at studenten er lagt mer positive til det nye emnet (fra studieåret 2013/2014) enn tidligere. Studentene virker mer motiverte og kommer stadig med gode tilbakemeldinger. Det virker som om de jobber mer med faget. Det gjenspeiler seg i karakterene. Figur 3 viser karakterfordelingene de siste to gangene det «gamle» opplegget ble gjennomført, vår 2012 og vår 2013 og de to gangene den nye utgaven av emnet er holdt, høst 2013 og høst Andelen av studentene som fikk D og dårligere har sunket fra % til % og de som fikk A eller B har steget fra % til nesten 50 %. Resultatene har vært ganske like selv om emnet ikke har hatt samme sensor de to gangene det har vært gjennomført. Underviser har vært den samme siden studieåret 2012/2013.

5 Figur 3 Arbeidsinnsatsen som kreves av underviserne for gjennomføring er omtrent den samme før og etter omlegningen, men det er forskjell i hva som gjøres, da det før omlegningen var et veldig tradisjonelt opplegg med teoriforelesninger hele semester og øvingsoppgaver på lab hele veien. I det nye opplegget er teoriforelesningene den siste måneden erstattet med det tidligere beskrevne prosjektet. Dette gir en innsparing i arbeidsinnsats i forhold til forelesninger, men det øker belastning i forhold til veiledning. Eksamensformen er muntlig eksamen med presentasjon, dette er noe som tar forholdsvis lang tid da det i studieåret 2014/15 var over 100 studenter, belastningen er dog ikke større enn det en «vanlig» muntlig eksamen ville vært. Selve belastningen med sensur er noe større enn en tradisjonell skriftlig eksamen og i tillegg er belastningen med at dette foregår i flere påfølgende hele dager og er mentalt slitsomt. 6 KONKLUSJON Studenttilfredshetsundersøkelser og generelle tilbakemeldinger fra studentene viser at de er mer fornøyde med emnet etter endringen som ble gjennomført sommeren Motivasjonen og arbeidsinnsatsen har også vist en signifikant økning sammenlignet med tidligere. Når det gjelder karakterene ser vi også en meget positiv utvikling. Arbeidsinnsatsen som kreves av underviserne for gjennomføring er omtrent den samme før og etter omlegningen. Det er forfatterens klare oppfatning at omlegningen har vært en suksess. Videre utvikling av emnet inkluderer produksjon av mer video materiale. Utvikling av flere eksamensoppgaver som kan benyttes av de studentene som ikke spesifiserer egne oppgaver. 7 REFERANSER 1. Biggs, J.B., Teaching for quality learning at university : what the student does. 2nd ed. SRHE and Open University Press Imprint. 2003, Phildelphia, Pa.: Society for Research into Higher Education : Open University Press. XII, 309 s. 2. Arduino sin hjemmeside. Available from: 3. Dronesonen sin hjemmeside. Available from: 4. ArduDog. Available from: