Enseignement par quadricoptère à tous les niveaux
"Quad-rotors : Control and Estimation" est un cours basé sur un projet pour les étudiants en bachelor de 5e et 6e semestre. Il utilise la technologie de pointe des nano-quadrirotors pour offrir aux étudiants une expérience de laboratoire pratique. Grâce à ce cours, les étudiants acquièrent des connaissances et une compréhension de la théorie de la modélisation et du contrôle pour une application quadrirotor, et en appliquant la théorie enseignée dans les cours de contrôle de premier cycle, les étudiants obtiennent une variation dans leur engagement avec ces concepts fondamentaux et donc une opportunité d'apprentissage plus approfondi.
Structure du cours avant la pandémie
Les étudiants passent 6 après-midi à compléter une série d'exercices couvrant 6 objectifs d'apprentissage qui mènent finalement au vol autonome d'un nano-quadrirotor du monde réel à l'aide de contrôleurs personnalisés propres à l'étudiant. Le cours commence par apprendre à déduire les équations du mouvement pour un quadrirotor grâce à une combinaison d'activités d'apprentissage interactives encourageant la participation active. Les étudiants travaillent ensuite en petites équipes pour construire leur propre environnement de simulation, en partant d'un modèle nu et en appliquant la théorie de leurs classes de systèmes de contrôle pour concevoir et tester un algorithme de contrôle. Une fois que les étudiants ont un algorithme de contrôle opérationnel en simulation, ils le codent et le mettent en œuvre sur leur propre quadrirotor nano. Les étudiants travaillent ensuite simultanément avec leur nano-quadrirotor simulé et réel pour comprendre comment les fondements théoriques de leur algorithme de contrôle peuvent être adaptés aux complexités du monde réel qui sont incarnées par le vol autonome. Chaque exercice alterne entre la résolution active de problèmes au sein de petites équipes et des discussions dynamiques avec l'ensemble de la classe.
Le travail en petites équipes encourage les étudiants à réfléchir d'abord de manière critique et à essayer de résoudre les problèmes eux-mêmes, et il permet à l'équipe pédagogique de fournir des conseils d'apprentissage en temps réel sur les difficultés techniques et conceptuelles. Les discussions en classe entière sont alors l'occasion pour les étudiants de communiquer leurs idées et leurs interprétations et de recevoir un feedback détaillé de la part des enseignants et des autres étudiants. Les étudiants développent un sentiment d'appropriation de leur quadrirotor parce qu'ils ont mis au point l'algorithme de contrôle à partir de rien, et lors du dernier exercice, les étudiants le mènent à une conclusion naturelle en proposant et en réalisant un projet personnalisé qu'ils présentent ensuite à toute la classe. Cette expérience d'apprentissage pratique, cependant, reposait sur la disponibilité d'un système de capture de mouvement coûteux dans notre laboratoire, utilisé pour fournir des mesures de position et d'orientation des quadrirotors.
Mise en œuvre pendant la période d'apprentissage à distance
La pandémie a changé tout cela. Non seulement il n'était plus possible d'utiliser l'infrastructure du laboratoire, mais il était également impossible pour les étudiants de travailler en équipe. Au lieu de prendre la voie facile de suspendre la classe ou d'offrir des sessions de démonstration à distance, nous avons décidé de reconcevoir la classe du début à la fin sous le concept : si les étudiants ne peuvent pas venir au laboratoire, le laboratoire peut venir chez eux !
Nous avons adapté le matériel utilisé sur les quadrirotors, développé de nouveaux logiciels, et adopté des outils d'enseignement en ligne pour permettre le travail en équipe et la supervision à distance. Grâce à ces développements, pendant la pandémie, les étudiants ont pu ramener chez eux des paquets contenant un nano-quadrirotor et notre logiciel open-source évolutif plug-and-play, ce qui leur a permis de réaliser des expériences en toute sécurité depuis pratiquement n'importe où dans le monde, et sans avoir besoin de matériel de laboratoire coûteux, ce qui était nécessaire avant la pandémie.
La réponse des étudiants aux changements apportés au cours a été enthousiaste. Nous avons mené des enquêtes grâce auxquelles nous avons reçu de nombreuses suggestions qui nous ont permis d'améliorer l'offre de cours au cours des semestres suivants. A ce jour, nous avons proposé la classe dans ce nouveau format à 78 étudiants sur 3 semestres, leur permettant de vivre l'excitation de l'enseignement pratique et du travail d'équipe même pendant la pandémie.
The course offers professional skills development including teamwork experience, justifying engineering design choices, and conceiving of new ideas, which are transferrable skills to any future engineering project. Le cours met en évidence les défis de la mise en pratique de la théorie des classes de systèmes de contrôle, qui renforce cette théorie par une variation de l'engagement des étudiants avec la théorie et met en lumière de nouveaux aspects de la conception d'ingénierie sur un exemple pertinent et intéressant. Même après la pandémie, nous pouvons utiliser notre nouvelle plateforme pour des laboratoires hybrides où les étudiants réalisent des expériences supplémentaires chez eux. En outre, le logiciel fournit le cadre pour amener le système n'importe où, permettant des démonstrations en classe, des travaux pratiques à domicile dans des classes plus grandes, et des activités de sensibilisation telles que des projets dans les écoles secondaires pour attirer les jeunes talents vers les sujets de l'ingénierie. Notre nouvelle plate-forme est vraiment unique en son genre, dans le sens où il s'agit d'une des seules plates-formes existantes, évolutives et rentables, qui apporte l'expérience d'un laboratoire pratique au domicile des étudiants.
Description du cours
Concept général du cours avant la pandémie - pendant - après
Le cours "Quad-rotors : Control and Estimation" a été proposé pour la première fois en 2017 comme moyen d'enseigner des connaissances et des compétences pratiques, et d'encourager l'expérimentation indépendante. Le cours a été proposé en laboratoire avec une plateforme d'enseignement quadrirotor composée d'un système de capture de mouvement et d'ordinateurs portables pré-configurés pour fournir une expérience de classe pratique. Le cours vise à aider les étudiants : (1) à apprendre et à comprendre le modèle, la dynamique et le contrôle des quadrirotors, (2) à appliquer la théorie des systèmes et du contrôle de leurs cours à un système réel, et (3) à expérimenter la chaîne complète de modélisation, de simulation, de conception du contrôle, de mise en œuvre et de test. Le cours donne aux étudiants la possibilité de faire des erreurs et d'observer les résultats sans endommager le système. Les étudiants apprennent à partir de mauvais choix de conception, jusqu'à ce qu'ils soient récompensés par un contrôleur de vol opérationnel et une compréhension plus approfondie de la théorie sous-jacente. Le travail en équipe apprend aux étudiants que les tâches complexes sont mieux résolues en équipe, c'est-à-dire que l'équipe peut obtenir plus que la somme de ses parties. Le cours démontre l'importance du contrôle dans les systèmes du monde réel et peut motiver les étudiants à suivre des cours de contrôle avancés dans la suite de leurs études.
La refonte du logiciel, combinée à la dernière technologie quadrirotor, nous a donné la flexibilité d'envoyer le laboratoire au domicile des étudiants pendant la pandémie et de fournir la même expérience pratique que si les étudiants étaient dans le laboratoire.
Après la pandémie, nous utiliserons cette plateforme quadrirotors pour compléter l'enseignement en face à face en permettant aux étudiants de travailler avec les quadrirotors en dehors des heures de cours programmées, ce qui n'était pas possible avec la configuration pré-pandémique. Nous avons également l'intention de démontrer les possibilités de cours pratiques à distance en laboratoire. La présentation de ce concept lors de conférences/événements de formation externe a le potentiel de donner un nouvel élan aux cours pratiques d'ingénierie. C'est l'occasion d'offrir un laboratoire à distance évolutif sans compromettre l'expérience d'apprentissage et les résultats des étudiants.
