obrázek - roboconstructor.ru
Známé podobenství říká, že když se mladá matka s dítětem v náručí obrátila k mudrci a zeptala se, v jakém věku by měla začít vychovávat své potomky, starší odpověděl, že je pozdě na tolik let, kolik už dítě mělo. . S volbou budoucího povolání je situace dost podobná. Je těžké od kojence vyžadovat povědomí o svých sklonech a zájmech, ale už na střední škole začínají nejrůznější specializace a v této době by bylo fajn už vědět, jakým směrem se má odrostlé dítě ubírat. Jedno už ale víme téměř jistě – během příštích desetiletí bude 30 až 80 % profesí plně automatizováno.
Robotika, kybernetika, porozumění algoritmům - soubor dovedností, se kterými s největší pravděpodobností takové vágní vyhlídky člověka neohrozí. Samozřejmě s největší pravděpodobností se paralelně s náhradou pracovní síly roboty vyvine i koncept nepodmíněného základního příjmu, ale takovou budoucnost pro své dítě jen stěží chcete.
Existuje mnoho způsobů, jak rychle ukázat mladému a zainteresovanému publiku základy programování a robotiky. Všechny jsou levné, snadno se učí a během několika hodin dají pochopit základy algoritmů a konceptů kybernetických zařízení. Ale ve třídách se lze snadno setkat s nevýhodami těchto platforem – omezená životnost (a abych byl upřímný – i „odolnost vůči idiotům“) prkének na chleba, softwarová rozhraní, která nejsou příliš přátelská pro děti ve věku 11-12 let, relativně malá prvek „hry“.
Se všemi těmito nedostatky se již více než dvacet let bojuje v nejznámějším výrobci vzdělávacích setů LEGO Education. Řeč je samozřejmě o platformě MINDSTORMS Education EV3. Počínaje Mindstorms RCX vyrobeným na počátku 90. let a konče nejmodernějším komplexem MINDSTORMS Education EV3, princip formování platformy zůstává stejný. Základem je „inteligentní cihla“, mikropočítač s obrazovkou a vstupně-výstupními porty, ke kterým jsou připojeny všechny ostatní komponenty. Jako v každém robotickém systému se periferní zařízení dělí na senzory a efektory. Robot pomocí senzorů vnímá svět kolem sebe a díky efektorům na něj reaguje v souladu s naprogramovaným programem. Komponenty platformy jsou spojeny jednoduchými kabely bez pájení a mechanické konstrukce jsou omezeny pouze pevností plastových dílů a fantazií konstruktérů.
zvažovali jsme možnosti takových řešení obecně, ale nyní se chceme podrobněji věnovat LEGO MINDSTORMS Education EV3.
EV3
LEGO MINDSTORMS Education EV3 je kompatibilní s díly Lego Technic. To znamená, že platformu lze použít k vytvoření široké škály dokonce neuvěřitelných návrhů, od jednoduchých aut a robotických ramen až po složité dopravníky nebo dokonce řešitele Rubikovy kostky. Zdrojem dílů pro projekty se totiž může stát jakákoliv sada Lego Technic a s výměnou poškozených náhradních dílů nebude problém. Ano, nevypadají tak brutálně jako starý sovětský hliníkový designér, ale v praxi se ukazují být ještě silnější než kovové výrobky. Alespoň v mé sbírce, která začala v roce 1993, nebyla dosud objevena jediná zlomená část.
Základní vzdělávací sada MINDSTORMS Education EV3 obsahuje 541 dílků Lego Technic. Lze zakoupit jako specializovanou sadu zdrojů jako (nebo starší 9648 z NXT) nebo jen velký konstruktér jako (2800 dílů) popř (téměř 4000 dílů), a když už jsem si dost pohrál s hlavním modelem, postavil ho na "cihly" pro kybernetické experimenty. V přepočtu na jeden kus zde Lego velmi předčí ostatní sady - pouze 3-5 rublů za kus.
Pokud má někdo starou sbírku, která obsahuje desítky tisíc detailů, pak se o zdroje nemusíte vůbec starat.
Screenshot ze služby Brickset (interaktivní databáze pro majitele Lego konstruktérů, která umožňuje sbírat různé statistiky) od autora
To se však týká pouze „pasivních“ prvků, jako jsou nosníky, kola nebo spojovací čepy. Senzory a efektory jsou samozřejmě mnohem dražší, ale v základní sadě jich je víc než dost. Mindstorms EV3 přichází se třemi motory (dva větší a výkonnější a jedno kompaktní servo), dvojicí dotykových senzorů (jakási „chytrá“ tlačítka), ultrazvukovým, gyroskopickým a barevným senzorem (může pracovat i v režimu světelného senzoru). Plus zůstala zachována kompatibilita se senzory z předchozí generace robotů Lego Education, Mindstorms NXT (patří mezi ně například senzor hladiny hluku).
Ale zpět k „chytré cihle“, srdci systému. Je to opravdu docela těžká a objemná „cihla“, vybavená monochromatickou LCD obrazovkou 178x128 (zobrazuje nejen menu, ale také všechny druhy vlastních obrázků v procesu) s měnitelnou barvou podsvícení. Pomocí vodičů se standardním konektorem RJ-12 se k němu připojují senzory a efektory (až čtyři zařízení od každého typu), je zde slot pro microSDHC a USB port.
Ten lze použít jak ke stažení aktuálních programů, tak k aktualizaci firmwaru. Mikrokontrolér však není ochuzen o bezdrátová rozhraní, na přání lze programy stahovat přes Wi-Fi (nutný externí modul) nebo Bluetooth (vestavěný). Také pokud sestavíme dálkově ovládaného robota, lze jej „řídit“ pomocí bezdrátové komunikace ze smartphonu nebo tabletu.
Uvnitř „chytré cihly“ žije 300 MHz ARM procesor, 16 megabajtů trvalé paměti (a proto se karta hodí) a 64 megabajtů RAM. Bez ohledu na to, jak skromné se tyto údaje mohou zdát, existuje více než dostatek výkonu pro provádění i těch nejrozvětvenějších algoritmů, které vy nebo dokonce dítě můžete napsat v procesu učení. A pokud to porovnáte s 48MHz procesorem předchozí generace NXT, který nedávno překročil deset let, tak je pokrok zcela patrný. Nedá se však říci, že by se NXT znatelně zpomalila v procesu řešení typických úloh.
Navíc je tu čtvrtý port pro motory, což samo o sobě představuje významné rozšíření funkčnosti, které upgrade opravňuje.
USB port nyní podporuje hostitelský režim, který umožňuje nejen připojit Wi-Fi adaptér, ale také připojit více EV3 Bricks do jednoho komplexního robota. Je pravda, že úroveň úkolů se zároveň stává zcela „nedětskou“.
A konečně, MINDSTORMS Education EV3 má podporu pro napájení z baterie. Místo šesti AA baterií můžete nainstalovat přiloženou lithium-iontovou baterii na dvě a půl ampérhodiny. Nikdo samozřejmě nezakazuje používat prstové baterie eneloop, ale nutnost jejich vyjmutí kvůli nabíjení činí použitelnost podprůměrnou. A za tu cenu je pár sad eneloop s nabíječkou docela srovnatelných se značkovou baterií.
Ach ano, je tu velký a hlasitý reproduktor, který nyní umí nejen šukat retro melodie z 8bitové éry, ale také přehrávat příjemnější zvuky.
Nyní se podíváme na efektory ze základní sady. Dva z nich jsou výkonné motory, podobné těm, které se již používají v NXT, podlouhlá zařízení, která vyvíjejí velký točivý moment díky vnitřnímu redukčnímu převodu.
V případě zablokování motoru je zajištěna mechanická spojka, která začne prokluzovat, pokud je tření větší než vypočítané, takže je docela obtížné spálit motor.
Nechybí snímač úhlu natočení s rozlišením jeden stupeň (motor říká ovladači, v jakém úhlu je jeho osa aktuálně natočena) a možností přesné synchronizace otáčení všech připojených motorů.
Třetí, tzv. M-servo (středně velký motor) produkuje třikrát menší točivý moment, ale jeho otáčky jsou téměř dvojnásobné.
Co se týče senzorů, opravdu není nutné se omezovat na ty, které nabízí LEGO Education (ačkoli jsou nad střechu každého vzdělávacího projektu), kompatibilní a někdy i docela exotické senzory vyrábí řada společností třetích stran. Úplný zdrojový kód firmwaru a specifikace hardwaru .
Software
Mluvili jsme hodně o hardwarové základně, ale ve skutečnosti nejen to určuje efektivitu tříd robotiky. Je to přítomnost skutečně intuitivního softwaru na více platformách (Mac, PC, mobilní zařízení) a dělá z LEGO MINDSTORMS Education EV3 výukovou platformu, kterou si zvláště na přelomu základní a střední školy vybírají děti kolem třicítky.
Úvodní obrazovka aplikace na iPadu
Vizualizace algoritmů v nativním softwaru LEGO MINDSTORMS Education EV3 je prostě na nejvyšší úrovni - stačí se během pár minut naučit hlavní typy interakce logických bloků (přechodové podmínky, smyčka atd.) a poté postupně zvyšovat složitost programů. Samozřejmostí jsou také připravené školicí projekty pro desítky různých modelů robotů a pokud si přejete, v online komunitách najdete tisíce zajímavých programů.
Ukázkový program v aplikaci iPad
Pokročilí uživatelé si mohou nainstalovat LabVIEW nebo RobotC – „mozky“ LEGO MINDSTORMS Education EV3 jsou s těmito balíčky plně kompatibilní. Zde bohužel nepůjde exportovat staré projekty pro NXT bez dodatečné konverze.
Z výchovného hlediska je to mnohem zajímavější . Umožňuje vést elektronické sešity žáků, díky kterým může učitel vyhodnocovat pokroky konkrétního žáka a sledovat jeho pokroky ze své verze aplikace. Navíc můžete využít nejen školicí materiály dostupné na palubě softwaru (kterých je mnoho), ale také si vytvořit vlastní pomocí vestavěného editoru obsahu.
Výuková videa EV3 Content Editor
A ve verzi pro stolní počítače je k dispozici nástroj pro záznam dat s možností programování oblastí grafu v závislosti na prahových hodnotách. To znamená, že nyní může učitel snadno předvést práci moderních technologií například v rámci chytré domácnosti.
Mikropočítač EV3 bude sbírat data ze senzorů v reálném čase a v závislosti na teplotním pozadí spouštět ten či onen modelový program. Při vysokých teplotách se zapne ventilátor, při nízkých ohřívač. A studenti budou schopni zachytit a analyzovat data a finalizovat model.
Záznam dat
Otevřenost firmwaru „smart brick“ již sehrála svou roli: existují alternativní možnosti s podporou většiny oblíbených programovacích jazyků (desítky). Celkově lze použití EV3 „připevnit“ k jakémukoli vzdělávacímu projektu souvisejícímu s programováním, protože jen máloco je uspokojivější než příležitost vidět práci svých vlastních algoritmů „v hardwaru“.
Mnozí očekávají, že kamenem úrazu v tomto příběhu může být cena. Za základní sadu budete muset zaplatit 29 900 rublů plus dalších 2 500 za nabíjení. V této částce jsou však jak díly a elektronika pro pohodlnou práci dvou studentů, tak plnohodnotný základní software se 48 připravenými lekcemi (který je od ledna 2016 zcela zdarma pro jednotlivce i organizace). Dodatečné vybavení a pracovní sady mohou samozřejmě zvýšit náklady, ale v rozumných mezích. Tedy sada pro 8 studentů, která obsahuje základní a zdrojové sady LME EV3, nabíječky, software a , vyjde na 174 900. Celkem přijatelné je vybavit např. kroužek ve škole.
Ano, je znatelně dražší než jednoduché platformy podobné Arduinu. Ale příležitosti, stejně jako míra zapojení, jsou mnohem vyšší. Učební plán založený na EV3 lze snadno naplánovat pro celou střední školu i mimo ni. Navíc při adekvátním použití LEGO MINDSTORMS Education EV3 díky mechanickým vlastnostem, snadné výměně a dostupnosti dílů „přežije“ několik jednoduchých stavebnic (v mé praxi vyžadoval výměnu pouze jednoho kabelu RJ-12 u 10letého NXT).
Ve výsledku vidíme téměř open source projekt podporovaný obří společností se všemi bonusy, které jsou v takové situaci vyžadovány – dlouhým životním cyklem, dostupností náhradních dílů a rozšíření, oficiálními i amatérskými návody a rozvinutou komunitou. Mindstorms se staly prakticky standardem ve výuce západní robotiky pro děti a bylo by opravdu skvělé vidět je široce používané také v Rusku.
Volba cesty
A teď k tomu hlavnímu. Na rozdíl od sad WeDo 2.0 je EV3 zaměřeno na střední školu, respektive na starší děti, pro které je již otázka volby budoucího povolání vážnější.
Každý ze studentů bude moci pomocí EV3 aktivněji odhalit schopnosti, které do něj vložila příroda, výchova a proces učení.
Rozený matematik bude bedlivě sledovat telemetrii senzorů, jak přesně se zaznamenává vzdálenost, kterou robot urazí, jak se zaznamenává úhel, o který se vychýlí a podobně.
Budoucí IT specialista se samozřejmě vrhne do programování robota a analyzuje algoritmy, kterými se pohybuje. A určitě si vytvoří svůj vlastní, standardní návod neposkytovaný.
Dítě, které má rád fyziku, bude moci provádět vizuální experimenty s pomocí robota, protože sady nemají problémy se senzory, stejně jako dítě s představivostí.
Obecně platí, že bez ohledu na zájmy a oblíbené předměty vašeho dítěte ve škole, učení se stavebnicemi MINDSTORMS EV3 jim umožní jasněji identifikovat a zaměřit se na jejich rozvoj v budoucnu.
V životě
V tuto chvíli již řešení společnosti využívají studenti k tvorbě zajímavých projektů, jak v rámci různých soutěží, tak pro obecný rozvoj. Řada z nich byla letos medializována.
Astrachánští školáci Ruslan Kazimov a Michail Gladyshev vyvinuli robotický simulátor pro rehabilitaci kloubů rukou na bázi regionálního technoparku.
foto - rg.ru
Žáci osmých tříd strávili vývojem simulátoru o něco méně než dva měsíce. Svůj projekt představili na regionálním stupni IX. Všeruské soutěže vědeckých a inovativních projektů v Jižním federálním okruhu, kde obsadili druhé místo. Do budoucna plánují vytvoření průmyslového prototypu – zatím vývojáři nabízejí pouze prototyp vyrobený ze vzdělávací robotické stavebnice LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Přístroj kopíruje pohyby prováděné lékařem – klouby začínají pracovat, čímž obnovují pohyblivost nejen jich, ale i svalových skupin. Zatímco zařízení jsou připojena přes Bluetooth, v budoucnu budou interagovat pomocí internetu nebo Wi-Fi.
Na trhu existují analogy takového zařízení, ale zařízení Astrakhan může pracovat současně s ramenními, zápěstními a loketními klouby. Navíc je přenosný a na baterie. Existuje také možnost dálkového ovládání, to znamená, že pacient může trénovat, aniž by opustil domov.
Na Světové robotické olympiádě 2015 (WRO 2015) byl ruský tým DRL ze St. Petersburgu oceněn zvláštní cenou za kreativitu od LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
Ruský tým DRL představil projekt CaveBot. Kluci z Petrohradu pod vedením trenéra Sergeje Filippova vytvořili unikátního výzkumného robota, aby objevil neprobádané oblasti v jeskyních. Vývoj zasahuje do různých vědeckých oborů, neboť unikátní robot umožňuje plnit úkoly různé složitosti.
Tým postavil lezeckého robota vybaveného řadou senzorů k detekci objektů, aby je mohl prozkoumat. Výsledná data lze v počítači převést do 3D modelů.
A 13letý Shubham Banerjee vytvořil Braillovo písmo z dílků LEGO v rámci školního vědeckého projektu. Později za účasti jeho rodiny vznikl startup na uvedení vynálezu, který získal finanční podporu od technické korporace Intel.
(Foto: Marcio Jose Sanchez, AP)
Myšlenka vytvořit tiskárnu přišla Shubhamovi po prozkoumání Braillova písma na internetu. Poté, co si student uvědomil, že dotykové tiskárny stojí 2,000 dolarů a více, rozhodl se vyrobit levnější verzi.
Brzy po vynálezu začaly slepé děti a jejich rodiče kontaktovat Shubhama s jediným požadavkem – vyrobit levnou braillskou tiskárnu a slíbili, že ji „koupí rovnou z regálu“.
Jak můžete vidět, použití MINDSTORMS Education EV3 v procesu učení umožňuje studentům zapnout svou představivost na maximum, vytvářet stále nové a nové mechanismy, které nejen pomáhají realizovat nápady nebo vizuálně provádět jakékoli experimenty, ale také začínají rozhodovat na jejich budoucí profesi.
Pokud máte dotazy k použití těchto řešení ve vzdělávacím procesu (nebo k produktům samotným), napište je do komentářů.
Zdroj: www.habr.com