Resumen de Educational framework using robots with vision for constructivist teaching robotics to pre-university students

Julio Vega Pérez

• español

  La Robótica será un área dominante en la sociedad de las próximas generaciones. Actualmente su presencia es cada vez mayor a nivel doméstico, con dispositivos y mecanismos que facilitan la realización de diversas tareas cotidianas; así como a nivel laboral, donde las máquinas van ocupando cada vez más puestos de trabajo.

  Este aumento en la presencia de sistemas robóticos autónomos en la sociedad es debido a la gran eficiencia y seguridad que ofrecen frente a la capacidad humana, gracias fundamentalmente a la enorme precisión de sus sistemas de sensores y actuadores. Entre estos sensores adquiere especial importancia el de visión; algo que los humanos y los animales tienen muy desarrollado, pero que en Robótica constituye un frente de investigación en constante desarrollo. El principal problema reside en la correcta interpretación de los datos visuales y la extracción de información relevante a partir de las imágenes.

  La Robótica se convierte así en algo más que un área de la ciencia, sino también en una cuestión social y cultural. Por ello es fundamental crear una conciencia temprana y formar a los estudiantes más jóvenes en adquirir las habilidades que serán más demandadas en el futuro a corto y medio plazo, garantizando así su integración en un mercado laboral dominado por sistemas robóticos inteligentes. Además de tener una elevada capacidad de razonamiento y de toma de decisiones, estos robots incorporan importantes avances en sus sistemas perceptivos, lo que les permite interactuar inteligentemente en los entornos laborales de esta nueva revolución industrial.

  Desde hace unos años existen en el mercado diferentes kits de Robótica Educativa para su uso en enseñanza preuniversitaria. Para usarlos como herramienta de aprendizaje es necesaria también una correcta formación del profesorado, un cambio en la metodología de enseñanza-aprendizaje y en el entorno educativo en general. Además, teniendo en cuenta que los más jóvenes viven inmersos en un constante entorno de aprendizaje tecnológico, la mayoría de estos kits suelen tener un corto periodo de interés para los estudiantes, que demandan desafíos intelectuales que les resulten motivadores.

  En esta tesis se proponen varias soluciones a problemas clásicos de la Robótica, como la navegación y la localización, pero empleando una cámara como sensor principal. Asimismo, se presenta un entorno para la docencia de Robótica con Visión como materia a través de la cual los alumnos de niveles académicos preuniversitarios aprenden los principios de la ciencia y la ingeniería y las habilidades de programación de ordenadores tan demandadas por la sociedad actual. El lenguaje Python elegido y los ejercicios de robots con visión, suponen un aporte novedoso único y ventajoso, más potente que otros entornos docentes existentes.

  Este entorno docente se ha implantado con éxito en varios centros educativos durante los dos últimos cursos académicos (2016/2017 y 2017/2018), incluyendo: infraestructura software, plataforma hardware, currículum académico con contenido teórico y práctico, así como la metodología pedagógica constructivista. Se ha evaluado el rendimiento y la satisfacción de más de 2.000 estudiantes y profesores usando este entorno docente en las asignaturas curriculares de Tecnología, Programación y Robótica} y TICs de Educación Secundaria (ESO), así como en actividades extraescolares.

• English

  Robotics will be a dominant area in society throughout future generations. Nowadays its presence is increasing in the majority of contexts of daily life, with devices and mechanisms which facilitate the accomplishment of diverse daily tasks; as well as at labor level, where machines occupy more and more jobs.

  This increase in the presence of autonomous robotic systems in society is due to the great efficiency and security they offer compared to human capacity, thanks mainly to the enormous precision of their sensor and actuator systems. Among these, vision sensors are of utmost importance. Humans and many animals enjoy powerful perception systems in a natural way, but which in Robotics constitutes a constant line of research. The main problem lies in the correct interpretation of visual data and the extraction of relevant information from camera images.

  Thus, Robotics becomes something beyond an scientific are, but also a social and cultural topic. Therefore, it is essential to raise an early awareness and train younger students to acquire the skills which will be most demanded in the short and mid-term future. In doing so, we will be ensuring their integration into a labor market dominated by intelligent robotic systems. In addition to having a high capacity for reasoning and decision-making, these robots incorporate important advances in their perceptual systems, allowing them to interact effectively in the working environments of this new industrial revolution.

  Since a few years ago, there are different Educational Robotics kits available in the market which are designed to be used in pre-university education. To use them as a learning tool, a correct teacher training is necessary, as well as a change in the teaching-learning methodology and in the educational environment in general. In addition, taking into account that young people live immersed in a constant environment of technological learning, most of these kits usually have a short period of interest for students, who demand motivating intellectual challenges.

  This thesis aims to provide several solutions to some classic problems inherent to Robotics, such as navigation and localization, but using a camera as the main sensor. In addition, a learning framework for teaching of Robotics with Vision as a subject is presented. Using it the students at pre-university curricular level learn the principles of Science and Engineering and the computer programming skills demanded in today's society. The use of Python language and its exercises about robots with vision makes this learning framework unique and more powerful than other existing frameworks.

  This teaching framework has been successfully used in several secondary education schools during the last two academic years (2016/2017 and 2017/2018), which includes: its software infrastructure, its hardware platform, an academic curriculum with theoretical and practical content, as well as a constructivist pedagogical methodology. The performance and satisfaction of more than 2,000 students and teachers using it, in curricular subjects such as Programming, Robotics and Technology and ICTs of Secondary Education (CSO) and extracurricular activities, have been evaluated.