Programación y Robótica

1. Introducción a la Programación

La programación informática es la disciplina orientada al desarrollo de aplicaciones, herramientas virtuales o software  de cualquier proceso digital. En los últimos años, el uso de las TIC ha adquirido una importancia en la sociedad tal que la demanda de profesionales en este ámbito ha crecido vertiginosamente.

Además, la programación está asociada al desarrollo de habilidades creativas,  a la capacidad en la resolución de problemas, a la planificación estructurada de tareas o al desarrollo del pensamiento computacional.

Es por ello que la programación (anteriormente designada a profesionales especialistas en Informática) ha llegado a niveles inferiores de la educación, con el fin de crear los cimientos en esta disciplina que se desarrollará a lo largo de toda la etapa educativa.

Un programa informático se compone de un conjunto de instrucciones que sigue una secuencia o estrategia  determinada para lograr un fin, para obtener un resultado concreto y que están escritas en un código o lenguaje  de programación siguiendo unas normas establecidas. 

En los últimos años, el desarrollo de distintos lenguajes de programación basados en entornos gráficos amigables ha permitido acercar la programación a los primeros niveles de la educación. Las instrucciones de estos lenguajes de programación se componen de bloques que se arrastran en el lienzo formando el programa. Algunos ejemplos son Scratch, Code.org, Alice, Kodu, AppInventor, Edublocks, etc.

Los lenguajes basados en texto aparecieron antes que los lenguajes gráficos, pero siguen utilizándose, ya que son imprescindibles para ciertas aplicaciones. Algunos de ellos son Python, Java, C++, Processing (basado en Java), etc.

Además, el desarrollo de los lenguajes de programación está asociado a la evolución de los sistemas de control programado; es decir, máquinas cuyos actuadores (por ejemplo motores) son gobernados por un programa en el que se tienen en cuenta otros elementos del sistema (por ejemplo sensores de proximidad). De esta forma, y continuando con el ejemplo,  a través del programa instalado en una tarjeta de control, los motores reciben órdenes de movimiento en un sentido u otro, o parada, en función de las señales que envíen los sensores de proximidad. La mayoría de los sistemas robóticos se basan en control programado y por ello, la robótica, también se está incorporando desde hace unos años a la educación en los niveles inferiores.

Algunos programas utilizados en sistemas robóticos o en sistemas de control programado son Robolab, Ardublock, mBot, Bee Bot, Lego Mindstorm, Makeymakey, etc.

Por último, queremos reservar un espacio en este libro a las herramientas relativas a la Inteligencia Artificial, disciplina que ha cobrado muchísimo interés en los últimos años. Presentamos algunas herramientas de machine learning que enseñarán a tu computador a reconocer imágenes, sonidos, personas, objetos, etc. Podrás incorporar estos módulos en tu programa.

En conclusión, hay muchísimos lenguajes de programación adecuados para la educación. En los siguientes capítulos presentamos algunos de ellos.

2. Programación gráfica

2.1. App Inventor para dispositivos móviles

App Inventor es una herramienta de desarrollo de software que fue creado conjuntamente por el MIT (Massachusetts Institute of Technology) y por Google Education  para la elaboración de aplicaciones destinadas al sistema operativo de Android, aunque las últimas versiones de App Inventor son válidas también en iOs.

Esta herramienta es gratuita y el entorno de programación es gráfico por lo que es muy fácil familiarizarse con él y crear apps para un dispositivo móvil basado en Android. Al igual que Scratch, el sistema de bloques en el que está basado su lenguaje de programación permite a cualquier usuario crear programas y ponerlos en funcionamiento en su propio dispositivo, lo cual es muy estimulante para los estudiantes. Aunque las aplicaciones creadas con AppInventor están algo limitadas por su simplicidad, proporcionan un gran número de utilidades.

App Inventor es software libre y podrás acceder a multitud de proyectos elaborados por otros usuarios para poder editarlos, mejorarlos o simplemente comprobar cómo ha sido desarrollado.

• Para empezar a trabajar con App Inventor necesitarás una cuenta de Google.
• Crearemos el programa accediendo al editor.
  
• Después de crear nuestra App en el editor debemos llevarla al dispositivo y comprobar que funciona correctamente. Para ello, es necesario haber instalado en nuestro dispositivo MlT AI2 Companion.
• Desde el editor en el que hemos creado el programa podemos seleccionar la opción de crear un código QR.
  
• Así, desde nuestro dispositivo móvil podemos leer el código QR y descargar nuestra propia app en el dispositivo.
  

Acceso al editor App Inventor>>

Acceso a MIT AI2 Companion>>

Antes de comenzar a utilizar App Inventor te aconsejamos que leas sus Términos de Uso y su Política de Privacidad

Tutoriales:

2.2. Scratch

Scratch es un lenguaje de programación creado por el MIT (Massachusetts Institute of Technology) diseñado especialmente para acercar el mundo de la programación a cualquier usuario, independientemente de sus conocimientos iniciales en este campo. El entorno es totalmente visual y a través de su código se pueden crear historias interactivas, juegos, animaciones, etc.

Scratch es una herramienta totalmente gratuita y de código abierto. Además puedes acceder a su comunidad y utilizar, editar y mejorar programas que otros usuarios hayn compartido públicamente en el sitio web.

Puedes empezar a crear un proyecto en Scratch (sin cuenta de usuario)  en este enlace: Empezar a crear

También puedes crear una cuenta de usuario totalmente gratuita y podrás gestionar todas tus creaciones, compartirlas, volver a editarlas y descargarlas cuando tu quieras. Únete a Scratch.

Otra opción es descargar la aplicación en tu propio ordenador. Descargar Scratch.

Antes de comenzar a utilizar esta herramienta te recomendamos que leas la Información publicada para educadores, Información para padres, los Términos de uso y la Política de Privacidad.

2.3. Blockly

Google Blockly es un lenguaje de programación visual, basado en bloques. Es Open Source, con licencia Apache License 2.0.

Blockly de basa en programación visual como Scratch y podrás implementar tus algoritmos arrastrando los bloques por el lienzo. Además con blockly podrás ver simultáneamente el código traducido a otros lenguajes de programación como Python, JavaScript, PHP, Lua, Dart... Así que este es un buen lenguaje de programación para iniciarse en la programación textual.

Para comenzar a trabajar con Blockly es aconsejable visitar Blockly Games, una serie de juegos que a través de retos de menor a mayor dificultad ayudarán a los alumnos a familiarizarse con el entorno y con las instrucciones de Blockly.  Además, en el siguiente enlace se muestra información específica para que los educadores>>

Puedes empezar a crear un proyecto en Blockly  en este enlace: Empezar a crear

Antes de comenzar a utilizar esta herramienta te recomendamos que leas los Términos de uso y la Política de Privacidad.

2.4. Game blox

GameBlox es una herramienta para crear videojuegos para dispositivos móviles. El lenguaje de programación es gráfico.

Puedes empezar a crear un proyecto en Game Blox  en este enlace: Empezar a crear

Antes de comenzar a utilizar esta herramienta te recomendamos que leas los Términos de uso y la Política de Privacidad.

2.5. Thunkable

 Thunkable es una herramienta basada en App Inventor que permite familiarizar a los alumnos con el desarrollo de aplicaciones para dispositivos Android.

Thunkable es un entorno realmente sencillo, similar a los otros entornos mencionados, basado en bloques.

Tutorial:

2.6. Swift Playgrounds

Swift Playgrounds es una herramienta para macOs y para iOs diseñada para comenzar a programar a través de instrucciones básicas. Esta plataforma está preparada para que los usuarios, sin necesidad de conocimientos previos, pueda aprender los conceptos básicos de la programación usando el lenguaje Swift creado por Apple.

Acceso a la descarga de Swift Playgrounds >>

Antes de comenzar a utilizar esta aplicación te aconsejamos que leas sus Términos de Uso y su Política de Privacidad

Tutoriales:

2.7. Code.org

Code.org® es una organización sin ánimo de lucro dedicada a acercar la programación y la computación a los estudiantes. Además trabaja intensamente para aumentar la participación de las mujeres y las minorías que no están suficientemente representadas en este campo.

Code.org ofrece distintos tipos de proyectos para comenzar a programar. A continuación mostramos algunos de ellos.

Además podrás acceder a multitud de estudios con trabajos públicos realizados por otros usuarios y utilizar el código desarrollado.

Acceso a la página  de Code.org (Laboratorio de Sprites)>>

Acceso a la página  de Code.org (Artista)>>

Acceso a la página  de Code.org (Fiesta de Baile)>>

Es importante que consultes los Términos de uso y su Política de Privacidad antes de empezar a utilizar esta herramienta.

2.8. Tynker

Tynker es un lenguaje de programación gráfico ideado para que los alumnos aprendan a programar de manera fácil e intuitiva, construyendo sus propios juegos, controlando robots y drones y publicando apps. EL entorno se basa en bloques que se conectan, de forma similar a como se realiza en Scratch. Además Tynker dispone de un sistema de gestión de clases para los docentes.

Tynker también permite programar drones a un nivel básico.

Puedes acceder a la página de Tynker en este enlace>>

Antes de comenzar a utilizar esta herramienta te recomendamos que leas los Términos de uso y la Política de Privacidad.

2.9. Snap!

Snap! es una herramienta de programación gráfica pro bloques,  creada en la Universidad de Berkeley, basada en el lenguaje de programación Scratch. Su manejo es muy sencillo, partes de bloques de instrucciones que pueden ser arrastrados y agrupados a modo de puzzle para crear un programa. Es un lenguaje pensado para desarrollar juegos, animaciones y creaciones multimedia mediante  bloques de acciones, como en Scratch.

Snap! incorpora nuevas y potentes mejoras en algunas de sus funciones, en cualquier ámbito, ya sea educativo, laboral o personal.

Acceso a Snap!>>

Antes de comenzar a utilizar App Inventor te aconsejamos que leas sus Términos de Uso y su Política de Privacidad

Tutoriales:

3. Programación textual

La programación basada en texto o textual se refiere a la secuencia de instrucciones que componen un algoritmo escritas en un lenguaje de programación determinado, basado en las normas establecidas en el propio lenguaje. Este conjunto de sentencias es analizado y "traducido" por el procesador para realizar las tareas para las que ha sido creado.

A diferencia de la programación gráfica, los lenguajes de programación textual requieren unos conocimientos más amplios, así como un alto grado de abstracción. Aprender un lenguaje de programación textual requiere aprender una "sintaxis" y una "gramática" específicas del lenguaje, lo cual dificulta su uso. No obstante, desde la década de los 60 se han ido desarrollando distintos entornos de programación y en la actualidad existen multitud de lenguajes y de entornos visuales más amigables para el usuario.

Ejemplo de un programa basado en texto. En este caso el programa está escrito en Python:

### Voy a decirte si el número que introduces es par o impar
num = int(input('Introduce un numero: '))
ifnum % 2 == 0:
print('Es Par')
else:
print('Es Impar')

3.1. PSEINT Pseudocódigo

Antes de presentar  lenguajes de programación como Python, Processing o Java, habituales en niveles superiores de ESO o en Bachillerato, podemos introducir la programación basada en texto con un pseudocódigo muy fácil de comprender.

PSeInt es una herramienta para familiarizar a los estudiantes con los lenguajes basados en texto. Con Pseint el estudiante puede crear programas mediante un simple e intuitivo pseudolenguaje en español. Además Pseint dispone de una herramienta de creación y edición de diagramas de flujo que genera el diagrama asociado al algoritmo creado de forma simultánea.

Esto permite a los estudiantes comprender los conceptos fundamentales de la algoritmia computacional y minimizar las dificultades propias de un lenguaje de programación.

Pseint está disponible para Linux, para Windows y para macOS.

3.2. Python

3.3. Processing

Processing es un lenguaje de programación y entorno de desarrollo integrado de código abierto. Basado en Java, se creó como una herramienta digital para artistas y diseñadores,  es decir, inicialmente fue creado para profesionales sin una formación extensa en programación. Esto lo convierte en un lenguaje de programación adecuado para la educación y para la familiarización de los estudiantes con lenguajes basados en texto.

Además, es ideal para la producción de proyectos multimedia e interactivos de diseño digital, dando resultados muy vistosos, que estimulan mucho a los estudiantes

4. Control programado y Robótica

El control programado de un sistema automático se refiere al que, a partir de unas determinadas señales de entrada, se obtienen los valores en los elementos de salida,  a través de un programa (conjunto de instrucciones) que ha sido incorporado en una tarjeta controladora previamente, en vez de hacerlo a través de un circuito cableado.

El control programado se utilizan en multitud de sistemas automáticos que utilizamos habitualmente (apertura de una puerta de garaje, climatización automática, por ejemplo) y, por supuesto, en el ámbito de la robótica.

4.1. Ardublock y ArduinoBlocks

Ardublock y ArduinoBlocks son dos herramientas gráficas para programar diferentes modelos de placa controladora Arduino. 

Estos lenguaje de programación se basa en bloques (programación gráfica) como Scratch, App Inventor u otros programas mencionados en dicho apartado. Los bloque pueden se arrastrados y enlazados como hemos descrito anteriormente.

 Arduino es una plataforma de electrónica basada en hardware y software libres, diseñados de forma totalmente flexible y fácil de aprender, que lo convierten en una herramienta muy versátil para la educación. El hardware libre se refiere a dispositivos cuyas características, diseño, especificaciones y diagramas son de acceso público, de manera que cualquiera puede crear réplicas, mejorarlas, modificarlas, etc. Es decir, Arduino ofrece la base para que cualquier persona o entidad pueda generar placas idénticas.

Acceso a la página de descarga de Ardublock>>

Acceso a la creación de proyectos con ArduinoBlocks>> 

Antes de empezar a utilizar estas herramientas te aconsejamos leer sus Términos de Uso y su Política de Privacidad

Tutoriales:

Acceso a los tutoriales del blog de Ardublock>>

Acceso a la documentación de ArduinoBlocks>>

Cómo comenzar con ArduinoBlocks

4.2. Tinkercad Circuits

Tinkercad es una colección de Autodesk que engloba diversas herramientas de diseño. Con Tinkercad puedes acceder a aplicaciones para diseñar en 3D, crear y simular circuitos eléctricos y electrónicos, programar, etc.

Todo ello en un entorno muy sencillo de manejar y muy interesante para los alumnos. En este capítulo nos centraremos en Tinkercad Circuits, ya que esta herramienta dispone de los elementos necesarios para crear y simular sistemas de control basados en Arduino. Además. permite la programación online de las placas Arduino del simulador.

Una herramienta muy interesante que ofrece Tinkercad Circuits es el debugger, con ella podemos parar la ejecución de un programa y ver los valores de las variables, algo que con arduino no podemos hacer. Nos permite “parar” el tiempo.

Para comenzar a utilizar Tinkercad debes registrarte una cuenta de correo electrónico y podrás acceder a todas sus herramientas.

Acceso a Tinkercad Circuits>>

Antes de comenzar a utilizar esta herramienta te recomendamos que leas  los Términos de uso y la Política de Privacidad.

Tutoriales:

Arduino en TinkerCad (I) - Hola mundo del canal de Youtube Jose Loureiro

 Controlar la iluminación de un LED

4.3. Simuladores de Robótica

Beebot Online

Antes de comenzar a utilizar esta herramienta, te aconsejamos que leas sus Términos de Uso y su Política de Privacidad.

MakeCode Microbit

Antes de comenzar a utilizar esta herramienta, te aconsejamos que leas sus Términos de Uso y su Política de Privacidad.

MakeCode Mindstorms

Antes de comenzar a utilizar esta herramienta, te aconsejamos que leas sus Términos de Uso y su Política de Privacidad.

Coppelia Robotics

Open Roberta Lab

5. Introducción a la Inteligencia Artificial

• En  apps y videojuegos, recreando el movimiento de los personajes.
  
• En  industria, aplicada a la optimización de métodos de fabricación y logística.
• En medicina, donde se hacen modelos que pueden preveer la evolución de una enfermedad o los posibles  efectos secundarios.
• En la minería de datos, generando patrones en base a una gran cantidad de datos, que un humano no podría gestionar.
  
• Machine Learning, el aprendizaje automático de las máquinas, proceso en el que los algoritmos pueden mejorar continuamente su desempeño al observar datos relevantes, identificar patrones, crear modelos de datos que pueden hacer predicciones y luego iterar su aprendizaje.

Podemos clasificar el aprendizaje automático (machine learning) en tres tipos:ay tres tipos:

• Aprendizaje automático supervisado: en este caso, el sistema es entrenado medieante un conjunto de datos etiquetados o estructurados. Los datos actúan como un maestro, entrenando a la máuina para mejorar  su capacidad a la hora de hacer predu¡iciiones o tomar decisiones. En este caso un supervisor humano debe gestionr el entrenamiento del sistema.

• Aprendizaje automático no supervisado: en este caso, los datos son proporcionados al sistema sin etiquetas y el sistema debe generar los patrones de forma autónoma.

• Aprendizaje automático por refuerzo: el aprendizaje se basa en la retoralimentación recibida. De tal manera que la proximidad al objetivo es premiada y el alejamiento se traduce en una penalización. Con base en la retroalimentación, el sistema modifica su estrategia y decisiones para para minimizar los errores.

5.1. Machine Learning for Kids

Machine Learning for Kids es una herramienta muy interesante para introducir a los estudiantes en la disciplina  de la Inteligencia Artifical. Realmente es una aplicación útil para acceder al mendo del entrenamiento de sistemas de aprendizaje automático.

Con esta herramienta el alumno podrá entrenar a su PC. Le enseñará a reconocer imágenes, a contestar preguntas sobre un tema concreto,  a reconocer números en trazado natural o sonidos sencillos.

El proceso se basa en seleccionar el tema sobre el que vamos a enseñar a la máquina. Tendremos que introducir las etiquetas de referencia y los ejemplos relativos a cada etiqueta. Después de un proceso de entrenamiento, la máquina habrá aprendido las relaciones entre patrones y etiquetas.

El procedimiento da como resultado un módulo de código que podrás exportar e incorporar en tu algoritmo de Scratch 3 o de Python. De esta forma, podrás desarrollar juegos capaces de interpretar imágenes, sonidos o texto, es decir, sistemas "semi-inteligentes".

Algunos proyectos de Aprendizaje Automático

5.2. Teachable Machine

Teachable Machine 2.0 es una herramienta de IA desarrolla por Google y basada en la web que hace que la creación de modelos de aprendizaje automático sea rápida, fácil y accesible para todos.

Con esta herramienta podrás preparar a un ordenador para que reconozca imágenes, sonidos y posturas. Es una forma rápida y sencilla de crear modelos de aprendizaje automático para incorporarlas en sitios web o aplicaciones.

Acceso a Teachable Machine>>

Antes de comenzar a usar esta herramienta, te aconsejamos que leas su Política de Privacidad y los Términos de uso.

5.3. Learning ML

Aunque para usar LearningML no es necesario registrarse, si lo haces podrás acceder a los proyectos que otras personas hayan compartido y, por supuesto, tú mismo puedes compartir los proyectos que desees. Ahora mismo sólo hay algunos ejemplos para que puedas probar la aplicación más rápidamente, pero esperamos contar con vuestra participación para ampliar y enriquecer la herramienta con vuestros proyectos.

Antes de comenzar a utiliza esta herramienta, te aconsejamos leer los Términos de uso y Política de Privacidad.

5.4. IA con App Inventor

Acceso al editor App Inventor>>

Acceso a MIT AI2 Companion>>

Antes de comenzar a utilizar App Inventor te aconsejamos que leas sus Términos de Uso y su Política de Privacidad

Tutoriales:

6. Créditos

Área de Formación en Línea y Competencia Digital Educativa del INTEF

Este curso y sus materiales se distribuyen con licencia Creative Commons 4.0

Instituto Nacional de Tecnologías Educativas y de Formación del Profesorado

Ministerio de Educación y Formación Profesional