LEGO MINDSTORMS Education EV3 в профорієнтації


зображення — roboconstructor.ru

Відома притча говорить, що, коли до мудреця звернулася молода мати з дитиною на руках і запитала, з якого віку потрібно починати виховання нащадка, старець відповів, що вона запізнилася на стільки років, скільки вже було дитині. З вибором майбутнього покликання ситуація досить схожа. Складно вимагати усвідомлення своїх схильностей і інтересів від немовляти, але ось вже в середній школі починаються всілякі спеціалізації, і до цього часу непогано б вже знати, в яку сторону рухатися підрослому чаду. Але одне ми знаємо вже майже напевно – протягом найближчих десятиліть від 30 до 80% професій будуть повністю автоматизовані.

Робототехніка, кібернетика, розуміння алгоритмів – той набір навичок, з яким, швидше за все, людині не будуть загрожувати настільки туманні перспективи. Звичайно, швидше за все паралельно з заміною робочої сили на роботів буде розвиватися і концепція безумовного основного доходу, от тільки навряд чи ви хочете для своєї дитини подібного майбутнього.

Способів швидко показати молодий і зацікавленої аудиторії основи програмування та робототехніки зараз існує багато. Всі вони коштують недорого, досить прості в освоєнні, дають вже через кілька годин розуміння основ алгоритмів і концепцій кібернетичних пристроїв. Але у навчальних класах легко зіткнутися і з недоліками цих платформ – обмеженою зносостійкістю (та й чого гріха таїти – «идиотоустойчивостью» теж) макетних плат, не дуже дружелюбними для дітей 11-12 років інтерфейсами, відносно невеликим елементом «гри».

З усіма цими недоліками вже більше двадцяти років борються в самій відомій компанії-виробника розвивальних наборів LEGO Education. Мова йде, зрозуміло, про платформі MINDSTORMS Education EV3. Починаючи з вироблених на початку 90-х Mindstorms RCX і закінчуючи самим сучасним комплексом MINDSTORMS Education EV3 принцип формування платформи залишається колишнім. В основі лежить «розумний цегла» («intelligent brick»), це мікрокомп'ютер з екраном і портами введення-виведення, до якого підключаються всі інші компоненти. Як і в будь робототехнічної системи периферійні пристрої поділяються на сенсори і ефектори. За допомогою сенсорів робот сприймає навколишній світ, а завдяки эффекторам – реагує на нього відповідно до закладеної програми. Компоненти з'єднуються платформи разом простими кабелями без пайки, а механічні конструкції обмежені тільки міцністю пластикових деталей і фантазією конструкторів.

В попередньому пості ми розглядали можливості таких рішень у загальному і цілому, нині ж хочемо докладніше зупинитися саме на LEGO MINDSTORMS Education EV3.

EV3

LEGO MINDSTORMS Education EV3 зроблений сумісним з деталями Lego Technic. Це означає, що платформу можна використовувати для створення найрізноманітніших і навіть неймовірних конструкцій, від простих «машинок» і «роборук» до складних конвеєрів або навіть «розв'язувачів» кубика Рубика. Фактично будь-який набір Lego Technic може стати джерелом деталей для проектів, також ніяких проблем не буде з заміною постраждалих запасних частин. Так, виглядають вони не так брутально, як старий радянський алюмінієвий конструктор, але на практиці виявляються навіть міцніше виробів з металу. Принаймні в моїй колекції, що стартувала в 1993 році, ще не виявилося ні однієї зламаної деталі.



У комплекті з базовим освітнім набором MINDSTORMS Education EV3 є 541 деталь Lego Technic. Можна докупити як спеціалізований ресурсний набір зразок 45560 (або старий 9648, що випускався ще для NXT), так і просто великий конструктор типу 42043 (2800 деталей) або 42055 (майже 4000 деталей), і, вдосталь награвшись з основною моделлю, пустити його на «цеглинки» для кібернетичних дослідів. У перерахунку на одну деталь Lego тут дуже сильно виграє у інших наборів – всього 3-5 рублів за одну штуку.



Ну а якщо у когось збереглася стара колекція, що включає десятки тисяч деталей, то турбуватися про ресурси і зовсім не доведеться.


Скріншот з сервісу Brickset (інтерактивна база для власників конструкторів Lego, що дозволяє збирати різноманітну статистику) автора

Втім, це стосується лише «пасивних» елементів начебто балок, коліс або сполучних пінів. Сенсори і ефектори, зрозуміло, значно дорожче, але і в базовому комплекті їх більш ніж достатньо. Mindstorms EV3 поставляється в комплекті з трьома моторами (два більше і потужніше і один компактний сервопривід), парою сенсорів дотику (свого роду «розумні» кнопки), ультразвуковим, гіроскопічним і колірним сенсорами (він же може працювати в режимі сенсора освітлення). Плюс збережена сумісність з датчиками від попереднього покоління роботів Lego Education – Mindstorms NXT (у їх число входить, наприклад, датчик рівня шуму).



Але повернемося до «розумному цеглі», серцю системи. Це дійсно досить важкий і об'ємний «цеглинка», оснащений монохромним РК-екраном 178х128 (на нього виводиться не тільки меню, але і всілякі кастомні картинки в процесі роботи) із змінним кольором підсвічування. За допомогою проводів зі стандартним роз'ємом RJ-12 до нього підключаються сенсори і ефектори (до чотирьох пристроїв кожного типу), є слот для microSDHC і USB-порт.



Останній можна використовувати як для завантаження власне програм, так і для оновлення прошивки. Однак не обділений мікроконтроллер і бездротовими інтерфейсами, при бажанні завантажувати програми можна через Wi-Fi (потрібен зовнішній модуль) або Bluetooth (вбудований). Також, якщо ми збираємо робота з дистанційним управлінням, керувати ним можна за допомогою бездротового зв'язку зі смартфона або планшета.

Всередині «розумного цегли» живе 300-мегагерцовий ARM-процесор, 16 мегабайт постійної пам'яті (і ось навіщо знадобиться картка) і 64 мегабайти оперативної. Якими б скромними не здавалися ці цифри, для виконання навіть найбільш розгалужених алгоритмів, які ви або тим більше дитина в процесі навчання може написати, потужності більш ніж достатньо. А якщо порівняти з 48-мегагерцовим процесором попереднього покоління NXT, якому нещодавно виповнилося десять років – то прогрес і зовсім помітний. Втім, не можна сказати, щоб і NXT скільки-небудь помітно гальмував в процесі вирішення типових завдань.

Плюс з'явився четвертий порт для моторів, саме по собі це значне розширення функціоналу, яке виправдовує апгрейд.

USB-порт тепер підтримує режим хоста, це дозволяє не тільки підключати Wi-Fi-адаптер, але й поєднувати декілька блоків EV3 в одного складного робота. Правда, і рівень завдань при цьому стає зовсім «не дитячих».

Нарешті, MINDSTORMS Education EV3 обзавівся підтримкою акумуляторного живлення. Замість шести АА-батарей можна встановити йде в комплекті літієво-іонний акумулятор на два з хвостиком ампер-години. Звичайно, ніхто не забороняє користуватися такими акумуляторами типу eneloop, але необхідність їх виймати для зарядки робить юзабіліті нижче середнього. Та й за ціною пара комплектів eneloop c зарядник цілком порівнянна з фірмовим акумулятором.



Ах так, з'явився великий і гучний динамік, який зараз може не просто пищати ретро-мелодії з 8-бітної ери, але і програвати більш приємні звуки.

Тепер подивимося на ефектори з базового набору. Два з них – потужні мотори, аналогічні вже використовувались у NXT, довгасті пристрою, розвиваючі завдяки внутрішній понижувальної передачі серйозний крутний момент.



На випадок блокування двигуна передбачений механічний фрикціон, який починає прослизати, якщо тертя більше розрахункового, так що мотор досить складно спалити.
Є датчик кута повороту з роздільною здатністю в один градус (мотор повідомляє контролеру, на який кут зараз повернена його вісь) і можливість точно синхронізувати обертання всіх підключених моторів.



Третій, так званий М-сервопривід (середній за розміром мотор) видає в три рази менший крутний момент, але зате його швидкість обертання вище майже в два рази.



Що стосується сенсорів, то насправді зовсім не обов'язково обмежуватися тими, що пропонує LEGO Education (хоча і їх вище даху для будь-якого освітнього проекту), ряд сторонніх компаній випускає сумісні і часом досить екзотичні сенсори. Вихідний код прошивки і апаратні специфікації повністю открыты.

Програмне забезпечення

Ми багато говорили про апаратній базі, але насправді далеко не тільки вона визначає ефективність занять з робототехніки. Саме наявність дійсно інтуїтивно зрозумілого ПЗ на безлічі платформ (Мак, ПК, мобільні пристрої) і готових навчальних планів робить LEGO MINDSTORMS Education EV3 платформою вибору при навчанні, і особливо на рубежі початкової і середньої школи, для дітей років десяти.


Вітальний екран додатки на iPad


Візуалізація алгоритмів у рідному ЗА LEGO MINDSTORMS Education EV3 знаходиться просто на вищому рівні – достатньо буквально за кілька хвилин засвоїти основні види взаємодії логічних блоків (умови переходу, цикл тощо) і надалі поступово нарощувати складність програм. Зрозуміло, є і готові навчальні проекти для десятків різноманітних моделей роботів, а при бажанні в інтернет-спільнотах можна знайти тисячі цікавих програм.


Приклад програми в додатку для iPad

Просунуті ж користувачі можуть встановити LabVIEW або RobotC – «мізки» LEGO MINDSTORMS Education EV3 повністю сумісні з цими пакетами. Ось експортувати старі проекти для NXT без додаткової конвертації, на жаль, не вийде.

З освітньої точки зору набагато більший інтерес представляє версія для настільних комп'ютерів. Воно дозволяє вести електронні зошити учнів, завдяки яким викладач може з своєї версії програми оцінювати успіхи конкретного учня і спостерігати за його прогресом. Плюс до всього можна використовувати не тільки наявні на борту ПО навчальні матеріали (яких багато), але і за допомогою вбудованого редактора контенту створювати свої власні.


Навчальні відео по роботі з редактором контенту EV3

А ще в десктоп-версії є утиліта реєстрації даних з можливістю програмування областей графіка в залежності від порогових значень. Тобто тепер педагог може з легкістю продемонструвати роботу сучасних технологій в рамках розумного будинку, наприклад. Мікрокомп'ютер EV3 буде збирати дані з датчиків в реальному режимі часу і в залежності від температурного фону запускати ту чи іншу програму моделі. При високій температурі включається вентилятор, при низькій — обігрівач. А учні зможуть фіксувати і аналізувати дані, допрацьовуючи модель.


Реєстрування даних

Відкритість прошивки «розумного цегли» вже зіграла свою роль: існують альтернативні варіанти з підтримкою більшості популярних мов програмування (десятки їх). За великим рахунком використання EV3 можна «прикрутити» до будь-якого освітнього проекту, пов'язаного з програмуванням, оскільки мало що так радує, як можливість побачити роботу власних алгоритмів «в залізі».

Багато хто чекає, що каменем спотикання в цій історії може виявитися ціна. Дійсно, за Базовий набір доведеться викласти 29 900 рублів, плюс ще 2 500 віддати за зарядку. Однак у цю суму включені деталі та електроніка для комфортної роботи двох учнів, а також повноцінне базове ПЗ з 48 готовими заняттями (яке з січня 2016 повністю безкоштовно, як для приватних осіб, так і для організацій). Звичайно, додаткове обладнання і комплекти завдань можуть збільшити вартість, але в межах розумного. Так комплект для 8 учнів, що включає базові і ресурсні набори LME EV3, зарядні пристрої, додатковий комплект завдань «Інженерні проекти», обійдеться в 174 900. Цілком прийнятно для оснащення, наприклад, гуртка в школі.

Так, це помітно дорожче простих Arduino-подібних платформ. Але і можливості, а також рівень залученості набагато вище. Навчальну програму на базі EV3 можна спокійно планувати на всю середню школу і далі. Крім того, при адекватному використанні LEGO MINDSTORMS Education EV3 банально «переживе» кілька простих комплектів за рахунок механічних якостей, легкої заменяемости і доступності деталей (на моїй практиці тільки один шлейф RJ-12 зажадав заміни в 10-річному NXT).

В результаті ми бачимо практично оупенсорсный проект, підтримуваний гігантською компанією з усіма покладеними в такій ситуації бонусами – великим життєвим циклом, доступністю запчастин і розширень, офіційними та аматорськими гайдами, розвиненим співтовариством. Mindstorms став практично стандартом західних освітніх класів з робототехніки для дітей, і було б по-справжньому здорово побачити його широке поширення і в Росії.

Вибір шляху

А тепер до головного. На відміну від наборів WeDo 2.0, EV3 орієнтований на середню школу, відповідно, на дітей старшого віку, для яких питання вибору майбутньої професії варто вже серйозніше.

Використовуючи EV3, кожен з учнів зможе активніше розкрити ті здібності, які були в нього закладені природою, вихованням і навчальним процесом.

Природжений математик буде пильно стежити за телеметрією датчиків, за тим, як саме фіксується пройдене роботом відстань, як записується кут, на який відхиляється, і інше.

Майбутній айтішник, само собою, зануриться в програмування робота, розбираючи алгоритми, за якою той рухається. І неодмінно буде створювати свої, не передбачені заводською інструкцією.

Захоплений фізикою дитина зможе з допомогою робота проводити наочні експерименти, благо з датчиками у наборів проблем немає, так само як і у дитини — з фантазією.

Загалом, які б у дитини не були інтереси й улюблені предмети в школі, навчання з використанням наборів MINDSTORMS EV3 дозволить чіткіше їх виділити і зосередитися на їхньому розвитку в майбутньому.

життя

На даний момент рішення компанії вже використовуються учнями для створення цікавих проектів, в рамках різноманітних конкурсів, так і для загального розвитку. Про деяких з них в цьому році писали ЗМІ.

Астраханські школярі Руслан Казимов і Михайло Гладишев на базі регіонального технопарку розробили робот-тренажер для реабілітації суглобів рук.


фото rg.ru

На розробку тренажера восьмикласники витратили трохи менше двох місяців. Вони представили свій проект на регіональному етапі IX Всеросійського конкурсу науково-інноваційних проектів в ЮФО, де посіли друге місце. Надалі вони планують створити промисловий зразок – поки розробники пропонують тільки прототип, виготовлений з освітнього робототехнического набору LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Пристрій дублює руху, що виконуються лікарем – суглоби починають працювати, тим самим відновлюється рухливість не тільки їх, але і груп м'язів. Поки пристрою пов'язані через Bluetooth, в майбутньому будуть взаємодіяти з допомогою інтернету або Wi-Fi.

Аналоги такого пристрою є на ринку, проте астраханський прилад може працювати одночасно з плечовим, променезап'ясткових і ліктьовим суглобами. Крім того, він переносний і працює від акумулятора. Також є можливість віддаленого управління, тобто пацієнт може тренуватися, не виходячи з дому.

На Всесвітній Олімпіаді з робототехніки 2015 року (WRO 2015) російська команда DRL з Санкт-Петербурга була нагороджена спеціальним призом за креативність від компанії LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).

Російська команда DRL представила проект CaveBot. Хлопці з Санкт-Петербурга під керівництвом тренера Сергія Філіппова створили унікального робота-дослідника для виявлення незвіданих областей в печерах. Розробка зачіпає різні наукові галузі, так як унікальний робот робить можливим виконання різноманітних за складністю завдань.

Команда побудувала робота-скелелаза, оснащеного різними датчиками, для виявлення предметів з метою їх подальшого дослідження. Отримані дані можуть бути перетворені в 3D-моделі на комп'ютері.



А 13-річний Шубхэм Бэнерджи створив принтер Брайля з частин LEGO в рамках шкільного наукового проекту. Пізніше, за участю його сім'ї, був створений стартап по запуску винаходу, який отримав фінансову підтримку від технічної корпорації Intel.


(Photo: Marcio Jose Sanchez, AP)

Ідея створити принтер прийшла до Шубхэму після дослідження Брайля в мережі Інтернет. Зрозумівши, що принтери для сліпий друку коштують від 2000$ і вище, школяр вирішив зробити більш дешеву версію.

Незабаром після винаходу незрячі діти і їх батьки почали зв'язуватися з Шубхэмом з єдиним проханням — зробити недорогий принтер Брайля, обіцяючи «купити його прямо з полиці».

Як бачите, використання MINDSTORMS Education EV3 в процесі навчання дозволяє учням по-максимуму включати фантазію, створюючи все нові і нові механізми, які не тільки допомагають реалізувати ідеї або наочно провести якісь експерименти, але і почати визначатися зі своєю майбутньою професією.

Якщо у вас є питання щодо використання цих рішень в освітньому процесі (або про самих продуктах) — пишіть їх в коментарях.
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.