Un Robot llamado Karel

Transcripción

1 Un Robot llamado Karel Materiales de apoyo para el instructor de un taller presencial sobre el Robot Karel Elaborado por Tecnología Educativa Galileo SA de CV Enero de 2008

2 Notas aclaratorias: Este documento ha sido preparado para facilitar a los profesores, la enseñanza y el uso pedagógico del robot Karel. Para tener éxito, el profesor y sus estudiantes deben contar con el programa Karel el Robot y realizar con él, las actividades que aquí se muestran o señalan. El documento supone que el profesor y los estudiantes estén familiarizados con los aspectos técnicos de operación del programa. Este documento esta registrado y es propiedad de Tecnología Educativa Galileo SA de CV, se prohíbe su uso parcial o total, sin el conocimiento y consentimiento de la empresa

3 Karel. Propósito Karel es un programa educativo que permite: Desarrollar en los estudiantes el pensamiento lógico l y las habilidades afines a este. Mediante su utilización n los estudiantes aprenden a identificar la esencia de los problemas, a desarrollar niveles de abstracción n y a transmitir sus conocimientos en forma detallada y precisa. Así mismo desarrollan habilidades de planeación, n, de preparación n de estrategias y de toma de decisiones. Su utilización n es especialmente útil para el desarrollo del pensamiento matemático. tico. Para los niños pequeños puede ayudarle a desarrollar el sentido de la orientación, n, de la ubicación n y ayudar en la comprensión n de los números n enteros y las distancias.

4 Orientación Karel puede ser utilizado en los primeros grados de primaria para enseñar a los niños a contar, a ubicarse en el espacio de dos dimensiones y a moverse en el. En la primaria alta, los niños adquieren los conceptos básicos b del pensamiento lógico l y del lenguaje matemático, tico, aprenden a resolver problemas sencillo y desarrollan su autoestima, al observar que el robot puede resolver problemas siguiendo sus instrucciones. En los diferentes grados de secundaria, Karel facilita el estudio o de las matemáticas, ticas, los estudiantes utilizan el concepto de algoritmo en el desarrollo de métodos m para resolver problemas. En el Bachillerato Karel ha sido utilizado para enseñar computación (programación n de computadoras) y resolver problemas de mayor complejidad.

5 Descripción n General Karel es un robot que vive en un espacio rectangular en el cual puede moverse dando pasos hacia delante o giros que le permiten cambiar de dirección. Karel tiene sensores que le permiten detectar barreras enfrente de él l y a sus lados, las cuales debe rodear y no chocar con ellas. De hecho el espacio de Karel esta rodeado de barreras que impiden su salida de él. Karel tiene también n un brazo que le permite recoger los objetos que encuentra y dejarlos en una mochila, para sacarlos después s y dejarlos en otra parte. Así pues básicamente, b Karel es un robot transportador de objetos, pero haciendo esto puede resolver muchos problemas interesantes. En la lámina siguiente se encuentra la pantalla inicial de Karel, con la que puedes crear los escenarios de trabajo

6 Karel Barreras Trompos Con este tablero tu puedes cargar tambien escenarios creados y almacenados previamente y decidir el tamaño del escenario. Pantalla inicial de Karel, destinada a crear escenarios

7 Editor de programas Una vez editado el escenario, tu puedes pasar al editor de programas activando la pestaña correspondiente. En la pantalla del editor, debes encender a Karel para que pueda funcionar, luego colócalo en la posición y dirección correctas. El programa se edita en la columna intermedia en blanco, mientras que en la parte derecha se observa el escenario donde Karel va a ejecutar el programa. El tablero permite llamar a un asistente de programación que facilita la correcta escritura del programa. En la parte izquierda se encuentra el botón de encendido y abajo un juego de indicadores sobre el estado de los sensores del robot. En la parte media superior se encuentran los botones que permiten cargar un programa previamente almacenado. encuentran los botones que permiten programas y controlar la velocidad del En la parte inferior derecha se restablecer el escenario a las condiciones iniciales, iniciar los robot

8 Pantalla del editor de programas

9 Descripción n General En la figura siguiente aparece Karel en un posible espacio, en el que se observa una trayectoria por la cual se debe mover para llegar a un punto donde debe recoger un objeto. Después s de recogerlo se debe mover a otra posición n y dejar allí el objeto. Los puntos de la trayectoria son: 1. Punto inicial 2. Punto donde se recoge el objeto. 3. Punto donde se deja el objeto. Karel es un robot que no actúa a por decisión n propia, sino que hace solo lo que le ordenamos que haga, las instrucciones que le daríamos amos en español para que recorra la trayectoria aparecen a un lado de la figura.

10 Descripción n General Las instrucciones para Karel: Avanza cuatro pasos, Gira a la derecha, Avanza cinco pasos, Recoge un objeto y gira a la derecha, Avanza cuatro pasos, Gira a la izquierda, Avanza dos pasos, Gira a la izquierda, Avanza 6 pasos, Deja el objeto 1 2 3

11 Descripción n General Esta actividad es en realidad muy simple, pero da una idea de cómo c trabaja el robot y resuelve problemas, siguiendo nuestras instrucciones. A veces nosotros queremos y esperamos que Karel haga algo específico, como por ejemplo seguir una trayectoria determinada, pero en su lugar hace algo distinto. Entonces, tenemos que encontrar el error y corregirlo, esto siempre es divertido y al hacerlo, estaremos aprendiendo a razonar y a descubrir nuestros errores, la experiencia resulta fascinante.

12 El espacio de Karel Como hemos visto es un espacio rectangular cuadriculado, en un cualquier cuadro de la retícula pueden colocarse barreras u objetos (trompos) que el robot puede levantar y mover. El robot puede colocarse en cualquier cuadro, orientado en una dirección n determinada. El espacio de Karel cuenta con facilidades para poner y quitar barreras y trompos, pero sólo s permite colocar un solo robot. Las cuadriculas pueden ser de 10 X 10 o de 20X20 cuadros como se observa en las figuras siguientes. Al colocar en el espacio las barreras y los trompos, estamos definiendo de algún n modo los problemas que Karel debe resolver:

13 Dos posibles espacios para Karel Trompo Karel Espacio de 10 X10 con ejemplo de una barrera en forma de T y dos trompos. Karel en la parte inferior. Espacio de 20 X 20 con ejemplo de un laberinto en espiral y un tesoro oculto, Karel en la parte inferior izquierda

14 La primera tarea de Karel Imaginemos que colocamos un trompo a una cierta distancia y queremos que Karel vaya por el y nos lo traiga, soltándolo en la posición inicial. El programa para Karel es el siguiente: INICIO-DEPROGRAMA INICIA-ACTIVIDAD RECOGE-OBJETO GIRA-DERECHA GIRA-DERECHA DEJA-TROMPO GIRA-IZQUIERDA FIN-ACTIVIDAD FIN-PROGRAMA

15 La primera tarea de Karel Varios puntos deben ser tomados en cuenta: El primero de ellos es la existencia de dos líneas al principio del programa y dos al final, cuyo único fin es protocolario, como nuestro buenos días al principio de una platica y el Adiós del final. Otro aspecto molesto es el referente a la necesidad de repetir ciertas palabras como en etc. Este puede ser obviado utilizando la capacidad del lenguaje de karel para definir nuevos términos como en: APRENDE-QUE 4 ES INICIO FIN APRENDE-QUE MEDIAVUELTA ES INICIO GIRA-DERECHA GIRA-DERECHA FIN Con esta facilidad, podemos decir que Karel ahora tiene la capacidad de aprender. Ahora la estructura del programa es la siguiente: Aquí es importante hacer notar que un niño de 9 ó 10 años puede escribir programas con este nivel de complejidad

16 La primera tarea de Karel INICIO-DE-PROGRAMA APRENDE-QUE 4 ES INICIO FIN APRENDE-QUE MEDIAVUELTA ES INICIO GIRA-DERECHA GIRA-DERECHA FIN INICIA-ACTIVIDAD 4 4 RECOGE-OBJETO MEDIAVUELTA 4 4 DEJA-OBJETO GIRA-IZQUIERDA FIN-ACTIVIDAD FIN-PROGRAMA No olvides encender a Karel para que pueda funcionar Ahora veamos a Karel realizar la tarea completa

17 La primera tarea de Karel Ahora bien, es claro que si el objeto hubiese estado un cuadro o dos más cerca o más lejos, hubiese sido necesario modificar el programa pues de otro modo, Karel fallaría. Es posible hacer un programa más general, utilizando la capacidad de Karel de detectar objetos y barreras, que le permita recoger los trompos a cualquier distancia. El hecho de que el robot pueda detectar objetos y barreras le permite tomar decisiones, como las del siguiente programa El programa aparece en la parte derecha de esta lamina. KAREL ENCUENTRAUNTROMPO Y REGRESA INICIO-DE-PROGRAMA INICIA ACTIVIDAD MIENTRAS NINGUN-OBJETO HAZ RECOGE-TROMPO GIRA-DERECHA GIRA-DERECHA MIENTRAS NADA-ENFRENTE HAZ DEJA-TROMPO GIRA-IZQUIERDA FIN-ACTIVIDAD FIN-PROGRAMA

18 Karel. Bloques de instrucciones Imaginemos ahora que Karel debe recoger no uno, sino toda una hilera de trompos, (no sabemos cuantos) antes de regresar al punto de partida En la pagina siguiente podemos ver y analizar el programa completo. Punto de regreso La estrategia es que mientras siga encontrando trompos debe recogerlos y seguir adelante. Al encontrar el último y detectar que ya no hay más, debe dar la media vuelta y regresar. La parte del programa donde Karel levanta los trompos es la siguiente: MIENTRAS ALGUN-OBJETO HAZ INICIO RECOGE-OBJETO FIN

19 Karel. Bloques de instrucciones RECOGE HILERA DE TROMPOS INICIO-DE-PROGRAMA APRENDE-QUE MEDIAVUELTA ES GIRA-DERECHA GIRA-DERECHA INICIA-ACTIVIDAD MIENTRAS NINGUN-OBJETO HAZ MIENTRAS ALGUN-OJETO HAZ INICIO RECOGE-OBJETO FIN MEDIAVUELTA MIENTRAS NADA-ENFRENTE HAZ MEDIAVUELTA FIN-ACTIVIDAD FIN-PROGRAMA A las sucesiones de instrucciones como: INICO RECOGE-OBJETO FIN Les llamamos bloques, estos bloques tienen una gran importancia en el lenguaje, porque nos permiten agrupar a las instrucciones para ir conformando la lógica del programa La idea es lograr que cuando el robot ejecute la primera instrucción del bloque, tiene que ejecutar todas las demás. Observemos ahora al robot realizando el programa con la hilera de trompos de la figura.

20 Karel. Las decisiones LógicasL Imaginemos ahora que hemos colocado un trompo en algún lugar del tablero y queremos que Karel lo encuentre. Para ello hemos dejado algunas barreras como señales, cada vez que Karel encuentre una deberá dar vuelta a la derecha y seguir adelante. El proceso termina cuando Karel encuentra el trompo. La estrategia que Karel debe seguir es continuar hasta hallar el trompo haciendo lo siguiente: Dar vuelta a la izquierda al encontrar una barrera enfrente y si no avanzar. El programa aparece en la página siguiente

21 Karel. Las decisiones LógicasL KAREL ENCUENTRA UN TROMPO INICIO-DE-PROGRAMA INICIA-ACTIVIDAD MIENTRAS NINGUN-OBJETO HAZ INICIO SI ALGO-ENFRENTE ENTONCES GIRA-DERECHA SINO FIN RECOGE-OBJETO FIN-ACTIVIDAD El bloque central de instrucciones de este programa tiene una decisión lógica basada en uno de los censores de karel, el cual le permite detectar una barrera enfrente de él, en ese momento el debe girar a la derecha. Cuando un bloque de actividades esta formado por una sola instrucción los términos INICIO y FIN son innecesarios Pongamos ahora a Karel a ejecutar el programa con el escenario Karel encuentra un trompo y veamos que efectivamente lo hace

22 Karel. Las decisiones LógicasL Si utilizas el Asistente de programación de Karel tu puedes ver que Karel cuenta con otros sensores que le permiten detectar objetos no solo frente a el, sino también a sus lados. Con esta facilidad, lograremos ahora que Karel regrese al punto de salida luego de hallar el trompo, para ello necesitamos que marque el punto de salida para regresar a el. K ENCUENTRA TROMPO REGRESA INICIO DEL PROGRAMA APRENDE-QUE MEDIAVUELTA ES INICIO GIRA-DERECHA GIRA-DERECHA FIN INICIA-ACTIVIDAD PIDE-TROMPO DEJA-TROMPO MIENTRAS NIGUN-OBJETO HAZ SI ALGO-ENFRENTE ENTONCES GIRA-DERECHA SINO RECOGE-OBJETO MEDIAVUELTA MIENTRAS NINGUN-OBJETO HAZ SI ALGO-DERECHA ENTONCES GIRA-IZQUIERDA SINO MEDIA-VUELTA FIN-ACTIVIDAD FIN-PROGRAMA Ejecutemos el programa, viendo los movimientos de Karel

23 Karel rodeando barreras En la figura aparece un rectángulo formado por barreras que Karel debe rodear. Una forma sencilla de hacerlo sería como al principio, contando los pasos que debe dar antes de cada giro. Pero nosotros sabemos que gracias a sus sensores, Karel lo puede hacer de manera más sencilla. Al comenzar a moverse Karel debe dejar una marca, de otra manera, no sabría donde detenerse. KAREL RODEA RECTANGULO INICIO-DE-PROGRAMA INICIA-ACTIVIDAD PIEDE-OBJETO DEJA-OBJETO 2 MIENTRA NINGUN-OBJETO HAZ SI ALGO-DERECHA ENTONCES SINO INICIO GIRA-DERECHA FIN FIN-ACTIVIDAD FIN-PROGRAMA Ejecutar el programa

24 Karel rodeando barreras Un aspecto importante de señalar es que con el programa anterior, Karel puede rodear barreras rectangulares de cualquier tamaño, de hecho tu podrías colocar a karel en la posición marcada como 2 y hacer que rodee el cuadrado pequeño de la figura. Del mismo modo tú puedes hacer que con el mismo programa Karel rodee cualquiera de las formas en el espacio de la siguiente figura. Por ello podemos afirmar que hemos resuelto, no un problema, sino toda una familia de problemas. Ahora estamos en condiciones de intentar que karel resuelva problemas más complejos como rodear una barrera en forma de T

25 Karel rodeando barreras KAREL RODEA LA T El programa aparece en la parte derecha de esta lamina, tu puedes comprobar que es igualmente general pues rodea cualquier otra T. Tu podrías hacer un programa parecido que rodee la T en el otro sentido. INICIO-DE-PROGRAMA INICIA-ACTIVIDAD PIDE-OBJETO DEJA-OBJETO MIENTRAS NINGUN-OBJETO HAZ SI NADA-DERECHA ENTONCES INICO GIRA-DERECHA FIN SINO SI ALGO-ENFRENTE ENTONCES GIRA-IZQUIERDA SINO FIN-ACTIVIDAD FIN-PROGRAMA Ejecuta el programa

26 Decisiones anidadas El programa anterior contiene un nuevo tipo de estructura, conocido como decisiones anidadas. Veamos la sección siguiente la cual puede ser escrita de otra manera... SI NADA-DERECHA ENTONCES INICO GIRA-DERECHA FIN SINO SI ALGO-ENFRENTE ENTONCES GIRA-IZQUIERDA SINO.. SI NADA-DERECHA ENTONCES INICO GIRA-DERECHA FIN SINO SI ALGO-ENFRENTE ENTONCES GIRA-IZQUIERDA SINO

27 Decisiones anidadas Si SI NADA-DERECHA No ENTONCES INICIO GIRA-DERECHA FIN Si SINO SI ALGO-ENFRENTE No ENTONCES GIRA-IZQUIERDA SINO En cada paso, mientras no ha terminado, el robot debe preguntarse si no tiene nada a su derecha y en ese caso girar a la derecha y avanzar En el caso contrario, el robot debe hacerse la pregunta de si tiene algo enfrente y entonces girar a la izquierda, sino entonces puede seguir de frente.

28 Karel. Un programa para rodear las letras del abecedario Un programa general para rodear barreras colocadas formando las diferentes letras del abecedario puede pensarse que es complejo. Pero no lo es, de hecho el programa para rodear la letra T, puede ser usado para rodear cualquier letra y de hecho cualquier conformación de barreas.

29 Karel recorre laberintos y saca tesoros Desde tiempo antiguos los laberintos han representado problemas interesantes de resolver. Nosotros podemos imaginar la existencia de un tesoro (trompo) escondido en un laberinto que debe ser encontrado y sacado por nuestro robot. Para ello debemos escribir un programa que le permita realizar esta tarea. Como nosotros no sabemos que forma puede tener el laberinto, ni en que parte de este, está guardado el tesoro, necesitamos un programa general Crees que puedes hacerlo? En realidad el programa no es difícil, se parece al que hicimos para rodear las letras.

30 Karel recorre laberintos y saca tesoros KAREL BUSCA UN TESORO INICIO-DE-PROGRAMA APRENDE-QUE ENCUENTRA-TROMPO ES INICIO MIENTRAS NINGUN-OBJETO HAZ SI NADA-DERECHA ENTONCES INICIO GIRO-DERECHA FIN SINO SI ALGO-ENFRENTE ENTONCES GIRA-IZQUIERDA SINO FIN FIN INICIA-ACTIVIDAD INICIO PIDE-OBJETO DEJA-OBJETO ENCUENTRATROMPO RECOGE-OBJETO ENCUENTRATROMPO FIN FIN-ACTIVIDAD FIN-PROGRAMA Ejecuta el programa y cambia el trompo a otros sitios del laberinto Observa como Karel los puede sacar en todos los casos

31 Karel recorre laberintos y saca tesoros Ahora hemos construido un laberinto mas grande (20 X 20) y mas complejo. Además tiene ahora 3 tesoros. Si quitas dos de los trompos y ejecutas el programa KAREL BUSCA UN TESORO verás que el robot realiza bien la tarea. Ahora trata de modificar el programa para que busque y encuentre los tres tesoros. Cuando lo logres, escribe un pequeño ensayo sobre el método que seguiste para resolver el problema. Seguramente ahora comprendes la importancia de las selecciones generales.

32 Karel encuentra la puerta del corral Imaginemos ahora que Karel esta dentro de un corral que tiene una puerta. Karel no sabe donde esta, por lo que tiene que hallarla y salir del corral. Diseña una estrategia que le permita a Karel, realizar exitosamente esta misión y escríbela en español. Luego escribe el programa y comprueba que funciona, independientemente de la posición inicial y de la dirección en que Karel este orientado.

33 Karel encuentra la puerta del corral El programa para encontrar la puerta es el siguiente: KAREL ENCUENTRA LA PUERTA INICIO-DE-PROGRAMA INICIA-ACTIVIDAD MIENTRAS NADA-ENFRENTE HAZ GIRA-DERECHA MIENTRAS ALGO-IZQUIERDA HAZ SI ALGO-ENFRENTE ENTONCES GIRA-DERECHA SINO GIRA-IZQUIERDA FIN-ACTIVIDAD FIN-PROGRAMA Un problema más complejo se presenta cuando el corral es irregular como el de la figura. Lo puedes resolver tu solo?

34 Karel encuentra la puerta del corral Aunque pueden existir diferentes estrategias para resolver el problema, una de ellas consiste en reconocer la puerta por la existencia de un trompo como señal frente a ella tal como se ve en la figura. Trompo KAREL ENCUENTRA LA PUERTA2 INICIO-DE-PROGRAMA INICIA-ACTIVIDAD MIENTRAS NADA-ENFRENTE HAZ MIENTRAS NINGUN-OBJETO HAZ SI ALGO-ENFRENTE ENTONCES GIRA-DERECHA SINO SI NADA-IZQUIERDA ENTONCES INICIO GIRA-IZQUIERDA FIN SINO RECOGE-OBJETO FIN-ACTIVIDAD FIN-PROGRAMA

35 Karel encuentra la puerta del corral Existe una condición inicial para la cual este programa falla. Cuál es esa condición inicial con la que falla el programa? Identifícala y explica a que se debe esta falla. Escribe un programa en el cual la falla quede superada y luego pruébalo. Otro reto importante es modificar la forma del corral y comprobar que el robot puede encontrar la puerta en otros casos, usando el mismo programa

36 Karel entra al corral y saca los trompos Un desafío más complejo para Karel consiste en meterse a un corral rectangular y sacar todos los trompos que se encuentren en su interior. El robot debe sacar los trompos y colocarlos en una hilera fuera del corral. La estrategia para realizar esta tarea es descomponerla en cuatro: que están n adentro 1.Encontrar la puerta y entrar. 2.Encontrar la esquina inferior izquierda. 3.Barrer todas las hileras levantando los trompos. 4.Salir del recinto y colocar los trompos en una hilera exterior Para levantar todos los trompos se hace hilera por hilera, el programa aparece en la pagina siguiente

37 Karel entra al corral y saca los trompos que están n adentro RECOJE TROMPOS EN RECINTO INICIO-DE-PROGRAMA APRENDE-QUE ENTRAALRECINTO ES INICIO MIENTRAS ALGO-DERECHA HAZ GIRA-DERECHA MIENTRAS NADA-ENFRENTE HAZ GIRA-DERECHA MIENTRAS NADA-ENFRENTE HAZ GIRA-DERECHA FIN APRENDE-QUE RECORREHILERA ES INICIO MIENTRAS NADA-ENFRENTE HAZ SI ALGUN-OBJETO ENTONCES INICIO RECOGE-OBJETO FIN SINO SI ALGUN-OBJETO ENTONCES INICIO RECOGE-OBJETO GIRA-DERECHA GIRA-DERECHA FIN SINO INICIO GIRA-DERECHA GIRA-DERECHA FIN MIENTRAS NADA-ENFRENTE HAZ GIRA-DERECHA FIN

38 Karel entra al corral y saca los trompos que están n adentro APRENDE-QUE BUSCASALIDA ES INICIO GIRA-DERECHA MIENTRAS ALGO-IZQUIERDA HAZ GIRA-IZQUIERDA FIN APRENDE-QUE DEJATROMPOS ES INICIO GIRA-IZQUIERDA MIENTRAS ALGO IZQUIERDA HAZ GIRA-DERECHA GIRA-DERECHA MIENTRAS ALGO-EN-BOLSA HAZ INICIO DEJA-OBJETO FIN FIN INICIA-ACTIVIDAD INICIO ENTRAALRECINTO GIRA DERECHA RECORREHILERA MIENTRAS NADA-ENFRENTE HAZ INICIO GIRA-DERECHA RECORRE-HILERA FIN BUSCASALIDA DEJATROMPOS FIN FIN-ACTIVIDAD FIN-PROGRAMA

39 CONCLUSIONES La ultima actividad de Karel podría parecer bastante simple, pero la longitud del programa nos indica que no lo es tanto. De hecho es el programa más largo que hemos preparado, pero si tú la haz ejecutado, habrás visto que el robot lo sigue sin problema. A partir de aquí, tu puedes seguir adelante construyendo programas más complejos, su solución será motivo de satisfacción y alegría al observar al robot realizando las tareas que tú le ordenas. Algunas posibles tareas podrían ser la comparación del número de trompos en dos recintos para decidir cual es mayor, obtener la suma, la resta, la multiplicación y la división con los trompos en los dos recintos. De cualquier manera, nosotros esperamos que este contacto con Karel, te haya enseñado algunas ideas importantes, como: La importancia del razonamiento lógico y de la especificación puntual que se necesita para resolver algunos problemas. La importancia de los lenguajes formales o matemáticos que dan precisión total a ideas que de otro modo quedan confusas. La importancia que puede tener el razonamiento lógico y estructurado para resolver problemas. HASTA PRONTO.