Lập trình Robot cho trẻ em - Tạo nền tảng tốt, tương lai sáng ngời

1. Lập trình Robot là gì?

Robot (người máy) là một trong những thành quả quan trọng của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ ba và được kỳ vọng phát triển bùng nổ trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Nó là sản phẩm công nghệ cao, được kết tinh từ nhiều lĩnh vực: điện tử, cơ khí, quang điện tử, khoa học máy tính,...Người ta thường định nghĩa, Robot là một cỗ máy, một thiết bị hay một hệ thống cơ điện tử thực hiện các hành động theo chương trình đã cài đặt sẵn. Cấu tạo của Robot bao gồm 4 thành phần chính là cơ khí, vi điểu khiển, cảm biến và chương trình điều khiển.

Con người tạo ra Robot để thực hiện những nhiệm vụ mà thậm chí chính con người không thể làm được, ví dụ như vận chuyển hàng hóa trong dây chuyền công nghiệp mà không cần nghỉ ngơi. Các nhà khoa học dự đoán rằng Robot sẽ thay thế hơn 20 triệu công việc trong các nhà máy vào năm 2030. Báo cáo của trang Marketresearch Future cho thấy, thị trường Robotic đạt 50.96 tỷ đô vào năm 2022 và có thể đạt 214.6 tỷ đô vào năm 2030.

Lập trình Robot là một ngành khoa học kỹ thuật phổ biến tại các nước có trình độ công nghệ cao như: Mỹ, Nhật Bản, Pháp, Đức,... Tại Việt Nam, nó đã được đưa vào chương trình đào tạo chính thức của một số trường đại học khối kỹ thuật, thậm chí trong hoạt động chuyên đề ở một số trường phổ thông chuyên. Chương trình điều khiển được xem là bộ não trong Robot, ghi nhận các tín hiệu từ cảm biến, điều khiển các cơ cấu chấp hành để thực hiện một cách hoàn hảo nhiệm vụ đặt ra. Có thể hiểu, lập trình Robot là thiết lập, xây dựng bộ não cho Robot. Và học lập trình Robot là quá trình học hỏi, tiếp thu, thực hành để tạo ra được một chương trình điều khiển Robot đáp ứng yêu cầu, thông qua các ngôn ngữ lập trình thông dụng. Vậy lập trình Robot cần học những gì? Câu trả lời sẽ là các giai đoạn, bao gồm: thiết kế, chế tạo, kết nối - vận hành, điều khiển, và hiệu chỉnh Robot. Nghe có vẻ phức tạp nhưng thực tế lập trình Robot lại có thể phù hợp cho cả những trẻ em 4 tuổi, giúp chúng hình thành tư duy giải quyết vấn đề một cách khoa học từ khi còn nhỏ.

2. Ngôn ngữ lập trình Robot

Nếu chúng ta xem Robot như một con rối, thì những dòng mã lệnh điều khiển giống như sợi dây giúp mang đến hình dạng, tính năng và chức năng cho Robot. Ngôn ngữ lập trình là công cụ để con người tạo ra những dòng mã lệnh đó và gắn vào bộ não của Robot. Trên thực tế, có rất nhiều ngôn ngữ lập trình Robot khác nhau được sử dụng, trong đó các ngôn ngữ phổ biến, dễ hiểu và dễ học là:

• C/ C++
• Python
• Scratch
• MATLAB

C/C++ và Python được xếp đầu danh sách kể trên, bởi chúng là những ngôn ngữ được dùng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp Robot. Chúng cũng là những ngôn ngữ đạt hiệu quả cao và được các kỹ sư ngành khoa học máy tính khuyên dùng. Cùng với sự phát triển của thị trường Robot, nhu cầu về các kỹ sư có tay nghề cao, các lập trình viên giỏi sử dụng thành thạo các ngôn ngữ lập trình như C/C++, Python hay Scratch sẽ ngày càng gia tăng. Hiện nay, các công ty lớn chuyên về Robot, như: ABB, Fanuc, Comau thường tạo ra những ngôn ngữ lập trình Robot độc quyền của riêng họ, tuy nhiên, chúng cũng được phát triển từ chính những ngôn ngữ cơ bản là C/C++.

Thiết kế, chế tạo ra phần xác (cơ khí, điện tử) của một con Robot là khâu quan trọng, và thổi hồn (lập trình điều khiển) vào nó để nó có đủ “trí thông minh” hoàn thành được các nhiệm vụ cũng là một khâu then chốt. Sử dụng thành thạo các ngôn ngữ lập trình Robot cơ bản kể trên là yêu cầu đầu tiên với những người mới tham gia vào lĩnh vực này. 

3. Tại sao trẻ em nên học lập trình Robot

Thời đại chúng ta đang sống là thời đại của công nghệ, là thế giới 4.0. Việc sử dụng đúng cách và hiệu quả các thiết bị điện tử, công nghệ hiện đại sẽ giúp chúng ta làm chủ thế giới. Ngày nay, giáo dục trẻ em phải gắn liền với công nghệ kỹ thuật. Giáo dục không chỉ là việc thu nhận kiến thức từ sách vở như cách truyền thống mà phải hình thành cho trẻ các kỹ năng mềm, suy nghĩ logic, tư duy giải quyết vấn đề một cách khoa học, sáng tạo và khả năng tự chủ trong suy nghĩ cũng như hành động. Lập trình Robot cho trẻ em là một phương pháp tích cực nhằm trang bị cho trẻ những kỹ năng đó trước khi bước vào đời. 

3.1. Mức độ phổ biến của lập trình Robot

Ngày nay, Robot là một trợ thủ đắc lực giúp tiết kiệm chi phí quản lý, chi phí vận hành và giải phóng sức lao động của con người. Chiếm lĩnh công nghệ Robot được xem là chiến lược phát triển toàn diện của mọi quốc gia trong thế kỷ 21. Do đó, lập trình Robot là một trong những ngành nghề hot nhất trong những thập niên tiếp theo. 

Ở Việt Nam, mặc dù lĩnh vực này đang được quan tâm và thu hút đầu tư trong thời gian gần đây, tuy nhiên, nghề lập trình Robot vẫn là một ngành nghề mới và rất thiếu nhân lực, đặc biệt là nhân lực chất lượng cao. Song hành cùng việc đào tạo kỹ sư lập trình Robot một cách chính quy ở các trường đại học là nhiều khóa học đào tạo cấp chứng chỉ bởi các công ty lớn, như: Lập trình Robot bằng Python; Lập trình Robot Arduino,...

Ngoài ra, các chương trình đào tạo lập trình Robot cho trẻ em cũng đang nở rộ và thu hút sự quan tâm. Bộ môn này thu hút trẻ bởi những tính năng hấp dẫn từ những con Robot với nhiều kiểu dáng và hình dạng khác nhau, do chính trẻ lập trình điều khiển chúng thực hiện ý tưởng của trẻ. 

Rõ ràng, lập trình Robot sẽ là một thứ ngôn ngữ phổ biến trên thế giới trong thời gian tới. Bởi thực tế, công nghệ robot đang được xem là một tiêu chuẩn để đánh giá sự phát triển của một quốc gia. Và tại các nước phát triển như: Nhật Bản, Pháp, Đức, Nga hay Mỹ,...đều sở hữu nền tảng công nghệ Robot ở mức rất cao. Chính vì vậy, việc trang bị những kiến thức về lập trình Robot cho trẻ từ sớm được xem là điều vô cùng quan trọng. 

Với nền tảng kiến thức vững chắc đó, cùng với những kỹ năng được trang bị trong các khóa học lập trình Robot cho trẻ, chắc chắn sẽ tạo động lực để trẻ học tập và làm việc tốt trong lĩnh vực công nghệ thông tin hay khoa học kỹ thuật cao trong tương lai. 

3.2. Phát triển kỹ năng mềm

Trong các khóa học lập trình Robot cho trẻ em, các bạn sẽ được trải nghiệm:

• Học cách xây dựng một ý tưởng mới và được thử nghiệm, kiểm chứng ngay ý tưởng đó với các thiết bị hiện đại
• Học cách giải quyết vấn đề, nhất là việc phân chia vấn đề thành những phần việc đơn giản thông qua khâu lập trình từng bước.
• Học cách phát hiện và sửa lỗi khi kết quả không như mong muốn đặt ra, từ đó hình thành cho trẻ tính kiên trì và quyết tâm khi đối mặt với khó khăn
• Học cách hợp tác và làm việc nhóm, học cách thuyết trình và lắng nghe ý kiến của người khác hướng tới thành quả chung.

Theo đó, các khóa học lập trình Robot cho trẻ em sẽ giúp trẻ:

• Tư duy tốt hơn: từ những khái niệm cơ bản về lập trình, mã lệnh tới các thuật toán để giải quyết vấn đề đặt ra sẽ là một cách hình thành tư duy logic cho trẻ. Hơn nữa việc học một ngôn ngữ lập trình, cũng giống như trẻ đang được học một ngôn ngữ giao tiếp mới.
• Có nền tảng kỹ năng vững chắc: Các kỹ năng cơ bản về máy tính, lập trình sẽ giúp trẻ hòa nhập nhanh và làm chủ thế giới của mình sau này. Đây cũng là một cách để cha mẹ định hướng nghề nghiệp cho con cái từ sớm.
• Kích thích sự sáng tạo: Trí tưởng tượng và sáng tạo của trẻ là không giới hạn. Nếu trẻ được tiếp cận sớm với lập trình sẽ giúp cho năng lực đó được phát huy tối đa.
• Rèn đức tính tự học: Để trở thành một người lập trình Robot đòi hỏi phải chăm chỉ, cần cù và cẩn thận. Trẻ em luôn thích thú khi khám phá những điều mới lạ, do đó có thể rèn cho trẻ các đức tính tốt này thông qua việc học lập trình Robot. Học lập trình từ sớm sẽ giúp trẻ tự phát triển bản thân.

3.3. Làm chủ công nghệ

Làm chủ công nghệ là làm chủ thế giới. Học lập trình Robot là một bước đi đúng hướng cho con trong thời đại công nghệ, là cơ hội cho con thỏa sức khám phá, sáng tạo và phát triển tư duy khoa học. Đặc biệt, là đối với trẻ ở độ tuổi từ 7 tới 12, đây được xem là giai đoạn vàng để hình thành cho trẻ những đức tính, kỹ năng sống quan trọng và những kiến thức cơ bản. Do đó, cho trẻ học lập trình Robot trong giai đoạn này là điều nên làm và sẽ đạt hiệu quả rất tốt. 

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, trẻ càng tiếp xúc với công nghệ sớm càng nhanh nhẹn và làm chủ công nghệ tốt hơn. Hơn thế, học lập trình Robot giúp trẻ tiếp xúc công nghệ một cách có định hướng, giúp trẻ biến các ngôn ngữ lập trình, công nghệ, kỹ thuật thành công cụ thể thực hiện ý tưởng của mình. Cha mẹ cho con học lập trình Robot từ sớm còn là một bước chuẩn bị tốt cho sự phát triển nghề nghiệp sau này, và cơ hội việc làm không chỉ ở Việt Nam mà còn ở các nước có trình độ công nghệ cao trên thế giới với mức lương hấp dẫn. 

4. Một số ứng dụng của ngôn ngữ lập trình Robot trong thực tế

Robot là một loại máy có thể thực hiện một cách tự động các công việc đã được lập trình sẵn trong cách vi mạch điện tử hoặc với sự điều khiển của máy tính. Ngôn ngữ lập trình Robot là công cụ để con người chuyển tải tác vụ mong muốn vào Robot. Các lĩnh vực ứng dụng của Robot rất đa dạng và ngày càng mở rộng, tức là phạm vi ứng dụng của lập trình Robot cũng vậy. Một số ứng dụng của ngôn ngữ lập trình Robot có thể kể đến như sau:

4.1. Lập trình Robot công nghiệp

Trong công nghiệp, Robot được lập trình sẵn để làm việc theo một trình tự nhất định, chủ yếu là phục vụ mục đích lắp ráp, sản xuất hoặc chế biến sản phẩm. Chúng đặc biệt hữu hiệu trong những môi trường làm việc khắc nghiệt, độc hại và thời gian dài liên tục. Robot công nghiệp có tính chính xác cao, mang lại hiệu quả vượt trội so với sản xuất thủ công. Tùy theo ứng dụng mà có các loại Robot như:

• Robot xếp bao từ dây chuyền sản xuất lên giá cố định hoặc di động.
• Robot xếp các loại thùng hàng hóa, phân loại hàng hóa.
• Robot cấp hàng trong tất cả các giai đoạn của quá trình sản xuất: từ cấp nguyên vật liệu đầu vào đến đóng gói sản phẩm đầu ra.
• Robot hàn tích, hàn dây, hàn điểm, hàn laser.
• Robot đúc: thực hiện các công đoạn nguy hiểm như rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng độ bền vật đúc,...
• Robot phay, gia công CNC: sử dụng ở cả quá trình gia công thô và gia công tinh (độ chính xác rất cao) trong chế tạo máy, điện tử, nội thất, xây dựng, ngành công nghiệp ô tô, xe máy, và đặc biệt là trong điêu khắc.
• Robot cắt bằng tia nước: có thể cắt nhiều loại vật liệu khác nhau từ kim loại (inox,sắt,thép,đồng, nhôm,…) đến phi kim (nhựa, sứ, đá, gốm, thủy tinh,…).
• Robot cắt, khắc bằng laser: được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp chế tạo máy, xây dựng, hàng không vũ trụ, giao thông,...
• Robot gia công làm sạch bề mặt vật liệu: đóng vai trò hoàn thiện bề mặt các chi tiết, cụm chi tiết, sản phẩm hoặc chỉ đơn giản là làm nhẵn bề mặt vật liệu trước khi tiến hành phun sơn, phủ hay mạ.

4.2. Lập trình Robot Arduino

Arduino là một nền tảng phần cứng và phần mềm cho việc phát triển các ứng dụng điện tử nhúng. Arduino được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2005, nó mang đến một giải pháp dễ sử dụng, tiết kiệm cho sinh viên, những người yêu thích lập trình, điện tử và giới chuyên nghiệp trong lập trình Robot để tạo ra những sản phẩm đáp ứng yêu cầu cuộc sống. Arduino cho phép người dùng viết các chương trình cho mạch bằng ngôn ngữ Arduino, đây là một ngôn ngữ khá thân thiện được phát triển dựa trên C/C++.

Bởi vì bảng mạch Arduino giống như một chiếc máy tính thu nhỏ nên nó được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực: game tương tác, làm máy in 3D, điều khiển đèn giao thông, điều khiển thiết bị cảm biến,...Tất nhiên, lập trình Robot Arduino cũng là một ứng dụng tuyệt vời của dòng sản phẩm này. Arduino có thể thực hiện tất cả các yêu cầu trong chế tạo Robot, từ việc ghi nhận tín hiệu các cảm biến tới điều khiển động cơ, hiển thị thông tin, tới giao tiếp với các thiết bị khác.

4.3. Lập trình Robot dò đường

Robot dò đường là loại robot có thể di chuyển theo một quỹ đạo được định sẵn, thường là các đường vạch màu đen trên nền sáng hoặc ngược lại vạch trắng trên nền tối màu. Người ta còn gọi loại Robot này là biến thể của Robot hướng sáng. Ứng dụng phổ biến nhất của loại Robot này là vận chuyển hàng hóa từ điểm A đến điểm B theo lộ trình không đổi, theo một vòng khép kín. Ví dụ điển hình là chúng được sử dụng để vận chuyển thuốc cho bệnh nhân trong khoa chữa bệnh truyền nhiễm (như Covid-19) để hạn chế tiếp xúc giữa bác sĩ và người bệnh. 

Robot dò đường có cấu tạo bao gồm 4 bộ phận chính: nguồn nuôi, khối điều khiển trung tâm, khối cảm biến, khối cơ khí - động cơ chấp hành; đôi khi chúng cũng được tích hợp thêm khối hiển thị và truyền thông phục vụ nhu cầu giao tiếp với người dùng. Nhiều loại ngôn ngữ khác nhau được sử dụng trong lập trình Robot dò đường, nhưng phổ biến nhất thường là Python hoặc C/C++. 

Học lập trình Robot dò đường là một trong những bài học cơ bản cho những người mới bắt đầu. Nó có thể triển khai trong các khóa học lập trình Robot cho trẻ em với hình thức và nội dung đa dạng, phong phú. Đây là nền tảng ban đầu để lập trình Robot thực hiện các nhiệm vụ phức tạp hơn. Trẻ em, học sinh yêu thích công nghệ, khoa học máy tính có thể bắt đầu bằng việc chế tạo robot dò đường đơn giản làm cơ sở cho nghiên cứu và chế tạo robot của riêng mình sau này.

4.4. Lập trình Robot tránh vật cản

Robot tránh vật cản là một trong những loại Robot đã và đang được ứng dụng khá phổ trong cuộc sống thường ngày. Chúng có khả năng tự tránh được các chướng ngại vật phía trước để tự tìm lối di chuyển thực hiện các nhiệm vụ đã đặt ra. Ứng dụng phổ biến của loại Robot này là lau nhà, lau bụi cửa kính, tích hợp trong ô tô tự hành,...Khác với Robot dò đường loại này không di chuyển bám theo quỹ đạo đã được định sẵn mà tự tìm lối di chuyển khi phát hiện các vật cản xung quanh dựa trên cảm biến siêu âm hoặc cảm biến hồng ngoại. Điều này có nghĩa là Robot tránh vật cản đòi hỏi yêu cầu cao hơn trong việc lập trình với thuật toán phức tạp hơn. 

Các Robot tránh vật cản đơn giản thường sử dụng bộ điều khiển trung tâm là bo mạch (dạng Kit) bán sẵn cho phép lập trình điều khiển bằng C/C++, Python hay Scratch. Trong các ứng dụng phức tạp hơn người ta thường chế tạo các bo vi mạch điện tử chuyên dụng.

5. Hướng dẫn lập trình Robot cho trẻ em

Để bắt đầu làm một việc gì đó, trước hết, bạn phải có kiến thức, hiểu biết về nó; sau đó là tự trải nghiệm và thực hành, đánh giá chính sản phẩm mà mình tạo ra. Đối với lập trình Robot cho trẻ em, hướng dẫn các bé thực hiện tốt từng bước cơ bản là điều rất quan trọng. 

Ngoài ra, thời lượng phù hợp để trẻ tự thực hành, phát huy tính sáng tạo của trẻ sẽ cho hiệu quả tốt nhất. Trong quá trình trải nghiệm, các bé sẽ được làm quen với việc lắp ráp Robot đơn giản rồi nâng cao dần đến những Robot phức tạp hơn dưới sự hướng dẫn của giáo viên. 

Khi trẻ đã làm quen với việc lắp ráp, trẻ sẽ được khuyến khích tự sáng tạo và thực hành để nâng cao kỹ năng cũng như tư duy logic của mình. Các khóa học lập trình Robot cho trẻ em thường sẽ có 3 mức độ tương ứng với 3 giai đoạn, đó là: 

• Học kiến thức cơ bản: Trẻ sẽ được giới thiệu về công nghệ, máy tính và Robot, bằng những hình ảnh trực quan và hiện vật sinh động. Trẻ sẽ được giải thích về cách mà Robot hoạt động, nó tương tác với môi trường xung quanh như thế nào và các ứng dụng trong cuộc sống hằng ngày. Phần này có thể bao gồm các nội dung nhỏ: Nghiên cứu nền tảng vật lý, toán học để chế tạo Robot; Tìm hiểu máy tính lập trình; Thực hành lập trình cơ bản giúp trẻ làm quen với ngôn ngữ lập trình Robot.
• Học kiến thức liên quan đến lắp ráp, xây dựng Robot: Đối với trẻ, học lập trình Robot chủ yếu sẽ tập trung về học lắp ráp, hoàn thiện robot và lập trình cho robot có thể thực hiện những nhiệm vụ đơn giản. Phần này có thể bao gồm các nội dung như: Trẻ tự lắp ráp, chế tạo Robot bằng cách sử dụng bộ dụng cụ thí nghiệm sẵn có; Làm việc nhóm để xây dựng Robot đáp ứng yêu cầu đơn giản mà giáo viên đặt ra; Được tham gia các cuộc thi lắp ráp.
• Học lập trình Robot nâng cao: Khi trẻ đã có những kiến thức cơ bản và được trải nghiệm thực tế tự lắp ráp được Robot, trẻ sẽ được học lập trình ở mức cao hơn. Thông thường, trẻ sẽ học thông qua các dự án chế tạo sản phẩm hoàn chỉnh hoặc các hoạt động khám phá với yêu cầu cụ thể theo lộ trình của khóa học.Giai đoạn này khuyến khích sự sáng tạo và rèn luyện kỹ năng tự học, phân tích biện luận của trẻ.

6. Lời Kết

Lập trình Robot hoàn toàn phù hợp với trẻ từ 5 tuổi trở lên và đặc biệt thích hợp với trẻ ở lứa tuổi 7 đến 12. Lập trình Robot cho trẻ em giúp hình thành, bồi dưỡng tư duy logic, khả năng giải quyết vấn đề một cách khoa học và các kỹ năng mềm khác cho trẻ. Ngoài ra bạn đang quan tâm đến học lập trình thì hãy tham khảo khóa học lập trình Scratch, Khóa học lập trình Python Code Combat