LEGO MINDSTORMS Education EV3 in der Berufsorientierung.

Bild — roboconstructor.ru

Eine bekannte Anekdote erzählt, dass eine junge Mutter mit ihrem Kind zum Weisen kam und fragte, ab wann sie mit der Erziehung ihres Sprösslings beginnen solle. Der Alte antwortete, dass sie zu spät sei, in dem Maße, wie alt das Kind already war. Bei der Wahl einer zukünftigen Berufung sieht die Situation ähnlich aus. Es ist schwierig, von einem Kleinkind zu verlangen, sich seiner Neigungen und Interessen bewusst zu sein, aber spätestens in der Mittelschule beginnen bereits verschiedene Spezialisierungen, und bis dahin wäre es gut, wenn das heranwachsende Kind eine Vorstellung davon hätte, in welche Richtung es gehen möchte. Doch eines wissen wir fast mit Sicherheit – in den kommenden Jahrzehnten werden 30 bis 80 % der Berufe vollständig automatisiert sein.

Robotik, Kybernetik, das Verständnis von Algorithmen – das sind die Fähigkeiten, mit denen einem Menschen wahrscheinlich nicht so düstere Perspektiven drohen werden. Natürlich wird parallel zur Ersetzung der menschlichen Arbeitskräfte durch Roboter auch das Konzept des bedingungslosen Grundeinkommens weiterentwickelt, aber wahrscheinlich wollen Sie für Ihr Kind nicht eine solche Zukunft.

Es gibt heute viele Möglichkeiten, jungen und interessierten Menschen die Grundlagen der Programmierung und Robotik schnell näherzubringen. Diese sind kostengünstig, relativ einfach zu erlernen und ermöglichen bereits nach wenigen Stunden ein Verständnis der Grundprinzipien von Algorithmen und cybernetischen Geräten. In Lehrklassen kann man jedoch auch auf die Einschränkungen dieser Plattformen stoßen – die begrenzte Robustheit (und um ehrlich zu sein, auch ihre 'Benutzerfreundlichkeit' ist nicht immer gegeben) der Prototypen-Platinen sowie nicht besonders kinderfreundliche Software-Oberflächen für 11- bis 12-Jährige und relativ wenig spielerische Elemente.

Die bekannteste Firma für Entwicklungskits, LEGO Education, kämpft seit mehr als zwanzig Jahren mit all diesen Nachteilen. Die Rede ist natürlich von der Plattform MINDSTORMS Education EV3. Beginnend mit den in den frühen 90ern produzierten Mindstorms RCX bis hin zum modernsten System MINDSTORMS Education EV3 bleibt das Grundprinzip der Plattform unverändert. Im Zentrum steht der „intelligente Brick“, ein Mikrocomputer mit Bildschirm und Ein-/Ausgängen, an den alle anderen Komponenten angeschlossen werden. Wie in jedem robotischen System werden die Peripheriegeräte in Sensoren und Aktoren unterteilt. Die Sensoren ermöglichen es dem Roboter, die Umwelt wahrzunehmen, während die Aktoren je nach festgelegtem Programm darauf reagieren. Die Komponenten der Plattform werden einfach mit Kabeln ohne Löten verbunden, und die mechanischen Konstruktionen sind nur durch die Festigkeit der Kunststoffteile und die Fantasie der Konstrukteure begrenzt.

Im vorherigen Beitrag haben wir die Möglichkeiten solcher Lösungen allgemein betrachtet, möchten jetzt jedoch näher auf LEGO MINDSTORMS Education EV3 eingehen.

EV3

LEGO MINDSTORMS Education EV3 ist mit Lego Technic Teilen kompatibel. Das bedeutet, dass die Plattform genutzt werden kann, um die unterschiedlichsten und sogar unglaublichen Konstruktionen zu erstellen, von einfachen "Autos" und "Roboterarmen" bis hin zu komplexen Förderbändern oder sogar "Lösungsmaschinen" für den Rubik's Cube. Tatsächlich kann jedes Lego Technic Set als Quelle für Teile der Projekte dienen, und es wird auch kein Problem geben, beschädigte Ersatzteile auszutauschen. Ja, sie sehen nicht so robust aus wie der alte sowjetische Aluminium-Baukasten, aber in der Praxis erweisen sie sich sogar als langlebiger als Produkte aus Metall. Zumindest in meiner Sammlung, die 1993 begann, habe ich bisher kein einziges kaputtes Teil gefunden.

Das Basis-Set MINDSTORMS Education EV3 enthält 541 Teile aus Lego Technic. Man kann auch spezielle Ressourcen-Sets wie 45560 (oder das ältere Modell 9648, das noch für NXT produziert wurde) oder einfach einen großen Baukasten wie 42043 (2800 Teile) erwerben. 42055 (fast 4000 Teile), und nachdem man sich mit dem Hauptmodell ausreichend ausgetobt hat, kann man es in „Bausteine“ für cybernetische Experimente verwandeln. Im Vergleich zu einem Einzelteil punktet Lego hier deutlich besser als andere Sets – lediglich 3-5 Rubel pro Stück.

Sollte jemand noch eine alte Sammlung mit Zehntausenden von Teilen besitzen, braucht man sich um die Ressourcen überhaupt keine Sorgen zu machen.

Screenshots aus dem Service Brickset (eine interaktive Datenbank für Lego-Besitzer, die es ermöglicht, verschiedene Statistiken zu sammeln) vom Autor

Das betrifft jedoch nur „passive“ Elemente wie Balken, Räder oder Verbindungspins. Sensoren und Aktuatoren sind natürlich deutlich teurer, aber selbst im Grundpaket sind sie mehr als ausreichend. Mindstorms EV3 wird mit drei Motoren geliefert (zwei größere und leistungsstärkere sowie einem kompakten Servomotor), einer Reihe von Berührungssensoren (eine Art „intelligente“ Tasten), sowie einem Ultraschall-, Gyroskop- und Farbsensor (der auch im Helligkeitsmodus arbeiten kann). Zudem bleibt die Kompatibilität zu den Sensoren der vorherigen Generation von Lego Education-Robotern – Mindstorms NXT (z.B. der Geräuschsensor) erhalten.

Kommen wir zurück zum „intelligenten Ziegelstein“, dem Herzstück des Systems. Es handelt sich tatsächlich um einen recht schweren und voluminösen „Ziegel“, der mit einem monochromen LCD-Display von 178x128 ausgestattet ist (darauf werden nicht nur Menüs, sondern auch verschiedene benutzerdefinierte Bilder während des Betriebs angezeigt) und einer einstellbaren Hintergrundbeleuchtung. Sensoren und Aktuatoren (bis zu vier Geräte jedes Typs) werden über Standardkabel mit RJ-12-Anschluss angeschlossen, und es gibt einen Slot für microSDHC und einen USB-Port.

Der letzte kann sowohl für das Laden eigener Programme als auch für das Aktualisieren der Firmware verwendet werden. Der Mikrocontroller ist jedoch auch mit drahtlosen Schnittstellen ausgestattet, sodass Programme bei Bedarf über Wi-Fi (externer Modul erforderlich) oder Bluetooth (integriert) geladen werden können. Zudem, wenn wir einen ferngesteuerten Roboter zusammenbauen, kann er über drahtlose Verbindung mit einem Smartphone oder Tablet gesteuert werden.

Im Inneren des ‚smart bricks‘ befindet sich ein 300-MHz ARM-Prozessor, 16 Megabyte Flash-Speicher (und dafür ist die Karte nützlich) sowie 64 Megabyte RAM. So bescheiden diese Zahlen auch erscheinen mögen, für die Ausführung selbst der komplexesten Algorithmen, die Sie oder ein Kind im Lernprozess schreiben könnten, reicht die Leistung mehr als aus. Im Vergleich zu dem 48-MHz-Prozessor der vorherigen Generation NXT, der kürzlich zehn Jahre alt wurde, ist der Fortschritt bemerkenswert. Dennoch kann man nicht sagen, dass NXT bei der Lösung gängiger Aufgaben merklich langsamer war.

Zusätzlich gibt es nun einen vierten Port für Motoren, was eine erhebliche Erweiterung der Funktionen darstellt und das Upgrade rechtfertigt.

Der USB-Port unterstützt jetzt den Hostmodus, was ermöglicht, nicht nur einen WLAN-Adapter anzuschließen, sondern auch mehrere EV3-Module zu einem komplexen Roboter zu verbinden. Allerdings erhöht sich dadurch auch der Schwierigkeitsgrad der Aufgaben erheblich.

Endlich unterstützt MINDSTORMS Education EV3 jetzt einen Akku-Betrieb. Anstelle von sechs AA-Batterien kann der im Lieferumfang enthaltene Lithium-Ionen-Akku mit zwei Ampere-Stunden installiert werden. Natürlich kann man auch weiterhin AA-Batterien wie eneloop verwenden, aber die Notwendigkeit, diese zum Laden herauszunehmen, beeinträchtigt die Benutzerfreundlichkeit. Zudem ist der Preis für zwei eneloop-Sets mit Ladegerät durchaus vergleichbar mit dem originalen Akku.

Ach ja, es gibt jetzt einen großen und lauten Lautsprecher, der nicht nur Retro-Melodien aus der 8-Bit-Ära abspielen kann, sondern auch angenehmere Klänge wiedergeben kann.

Jetzt werfen wir einen Blick auf die Effektoren aus dem Basisset. Zwei davon sind leistungsstarke Motoren, ähnlich denen, die bereits im NXT verwendet wurden. Sie sind längliche Geräte, die dank eines internen Untersetzungsgetriebes ein erhebliches Drehmoment erzeugen.

Für den Fall einer Motorblockade gibt es eine mechanische Reibungskupplung, die zu rutschen beginnt, wenn die Reibung über den vorgesehenen Wert geht, sodass es ziemlich schwierig ist, den Motor zu beschädigen.
Es gibt einen Drehwinkelsensor mit einer Auflösung von einem Grad (der Motor teilt dem Controller mit, um welchen Winkel seine Achse gerade gedreht ist) und die Möglichkeit, die Drehung aller angeschlossenen Motoren genau zu synchronisieren.

Der dritte, sogenannte M-Servomotor (ein mittlerer Motor) gibt ein dreimal geringeres Drehmoment ab, arbeitet aber fast doppelt so schnell.

Was die Sensoren betrifft, so ist es tatsächlich nicht nötig, sich nur auf die von LEGO Education angebotenen zu beschränken (obwohl diese für jedes Bildungsprojekt mehr als ausreichend sind), da mehrere Drittanbieter kompatible und manchmal ziemlich exotische Sensoren herstellen. Der Quellcode der Firmware und die technischen Spezifikationen sind vollständig offen.

Software

Wir haben viel über die Hardware gesprochen, aber tatsächlich ist sie nicht der einzige Faktor, der die Effektivität des Unterrichts in Robotik bestimmt. Vielmehr kommt es darauf an, dass wirklich intuitiv bedienbare Software auf vielen Plattformen (Mac, PC, mobile Geräte) verfügbar ist und fertige Lehrpläne LEGO MINDSTORMS Education EV3 zur bevorzugten Plattform für den Unterricht macht, insbesondere in der Übergangsphase von der Grundschule zur weiterführenden Schule für etwa zehnjährige Kinder.

Willkommensbildschirm der App auf dem iPad

Die Visualisierung von Algorithmen in der nativen Software von LEGO MINDSTORMS Education EV3 ist einfach herausragend – man kann in nur wenigen Minuten die grundlegendsten Interaktionen der logischen Blöcke (Bedingungen, Schleifen usw.) erlernen und dann schrittweise die Komplexität der Programme erhöhen. Natürlich gibt es auch viele fertige Lernprojekte für zahlreiche verschiedene Roboter-Modelle, und bei Bedarf kann man in Online-Communities Tausende interessanter Programme finden.

Beispielprogramm in der App für iPad

Erfahrene Benutzer können LabVIEW oder RobotC installieren – die "Gehirne" von LEGO MINDSTORMS Education EV3 sind vollständig mit diesen Paketen kompatibel. Leider ist es nicht möglich, alte Projekte für NXT ohne zusätzliche Umwandlung zu exportieren.

Aus Bildungssicht ist jedoch viel interessanter die Desktop-Software-Version. Diese ermöglicht das Führen elektronischer Notizbücher der Schüler, wodurch der Lehrer aus seiner Version der Anwendung die Fortschritte eines bestimmten Schülers bewerten und dessen Entwicklung verfolgen kann. Außerdem können nicht nur die bereits vorhandenen Lernmaterialien (von denen es viele gibt) genutzt werden, sondern mithilfe des integrierten Content-Editors können auch eigene Materialien erstellt werden.

Schulungsvideos zur Verwendung des Content-Editors EV3

Außerdem gibt es in der Desktop-Version ein Tool zur Datenerfassung, das die Programmierung von Grafikbereichen je nach Schwellenwerten ermöglicht. Das heißt, der Lehrer kann jetzt ganz einfach demonstrieren, wie moderne Technologien im Rahmen eines Smart Homes funktionieren.

Der EV3-Mikrocomputer erfasst in Echtzeit Daten von Sensoren und startet je nach Temperaturbedingungen unterschiedliche Programme. Bei hoher Temperatur wird der Ventilator aktiviert, bei niedriger der Heizkörper. Schüler können die Daten aufzeichnen und analysieren sowie das Modell weiterentwickeln.

Datenprotokollierung

Die Offenheit der Firmware des "intelligenten Bausteins" hat bereits Früchte getragen: Es gibt alternative Optionen, die die meisten gängigen Programmiersprachen unterstützen (dutzende davon). Im Grunde genommen kann die Verwendung von EV3 in jedes Bildungsprojekt integriert werden, das mit Programmierung zu tun hat, da kaum etwas so erfreulich ist wie die Möglichkeit, die eigene Algorithmenarbeit "in der Hardware" zu sehen.

Viele erwarten, dass der Preis in dieser Geschichte das Hauptproblem darstellen könnte. Tatsächlich kostet das Basis-Set 29.900 Rubel, plus weitere 2.500 für das Ladegerät. In diesem Preis sind jedoch die Komponenten und die Elektronik für den komfortablen Betrieb von zwei Schülern sowie eine voll funktionsfähige Grundsoftware mit 48 vorbereiteten Unterrichtseinheiten enthalten (die seit Januar 2016 für Privatpersonen und Organisationen völlig kostenlos ist). Natürlich können zusätzliche Geräte und Aufgabensets die Kosten erhöhen, aber im Rahmen des Vernünftigen. So kostet ein Set für 8 Schüler, das die Basis- und Ressourcen-Sets LME EV3, Ladegeräte, Software und das zusätzliche Aufgaben-set "Ingenieurprojekte", insgesamt 174.900. Völlig akzeptabel für die Ausstattung zum Beispiel eines Schulclubs.

Ja, es ist deutlich teurer als einfache Arduino-ähnliche Plattformen. Aber die Möglichkeiten und das Engagement sind weitaus höher. Das Curriculum auf der Basis von EV3 kann problemlos bis zur gesamten Mittelstufe und darüber hinaus geplant werden. Darüber hinaus wird LEGO MINDSTORMS Education EV3 bei angemessener Nutzung einfach mehrere einfache Sets überdauern, dank der mechanischen Qualitäten, der leichten Austauschbarkeit und der Verfügbarkeit von Ersatzteilen (aus meiner Erfahrung musste nur ein RJ-12-Kabel in einem 10 Jahre alten NXT ersetzt werden).

Am Ende sehen wir ein praktisch Open-Source-Projekt, unterstützt von einem riesigen Unternehmen mit all den gewöhnlichen Bonuspunkten in solch einer Situation – einer langen Lebensdauer, der Verfügbarkeit von Ersatzteilen und Erweiterungen, offiziellen und amateurhaften Anleitungen sowie einer aktiven Community. Mindstorms ist nahezu zum Standard in westlichen Bildungsklassen für Robotik für Kinder geworden, und es wäre wirklich großartig, eine breite Verbreitung auch in Russland zu sehen.

Wahl des Weges

Jetzt kommen wir zum Wesentlichen. Im Gegensatz zu den WeDo 2.0-Sets ist EV3 auf die Mittelstufe ausgerichtet und somit auf ältere Kinder, für die die Frage der Berufswahl bereits ernsthafter ist.

Mit dem EV3 wird jeder Schüler in der Lage sein, die Fähigkeiten aktiv zu entfalten, die ihm durch Natur, Erziehung und Lernprozess mitgegeben wurden.

Ein geborener Mathematiker wird aufmerksam die Telemetrie der Sensoren beobachten, wie genau die zurückgelegte Distanz des Roboters erfasst wird, wie der Winkel aufgezeichnet wird, um den er sich neigt, und vieles mehr.

Der zukünftige IT-Spezialist wird sich natürlich in die Programmierung des Roboters vertiefen und die Algorithmen verstehen, nach denen er sich bewegt. Zudem wird er unbedingt eigene, nicht in der offiziellen Anleitung vorgesehene, Programme erstellen.

Ein begeistertes Kind für Physik kann mit Hilfe des Roboters anschauliche Experimente durchführen, denn die Sets verfügen über ausreichend Sensoren, ebenso wie das Kind über eine einfallsreiche Fantasie.

Egal, welche Interessen und Lieblingsfächer Ihr Kind in der Schule hat, das Lernen mit den MINDSTORMS EV3 Kits wird helfen, diese klarer zu definieren und ihre Entwicklung in der Zukunft zu fördern.

Im Leben

Die Lösungen des Unternehmens werden derzeit von Schülern genutzt, um spannende Projekte zu erstellen, sowohl im Rahmen verschiedener Wettbewerbe als auch zur allgemeinen Weiterentwicklung. Über einige davon berichteten Medien in diesem Jahr.

Die Astrakhaner Schüler Ruslan Kazimov und Michail Gladyschew haben in der regionalen Technopark eine Roboterübung entwickelt, um die Gelenke der Hände zu rehabilitieren.

Foto — rg.ru

Für die Entwicklung des Geräts benötigten die Achtklässler etwas weniger als zwei Monate. Sie präsentierten ihr Projekt bei der regionalen Etappe des IX. Allrussischen Wettbewerbs für wissenschaftlich-innovative Projekte im südlichen Föderationskreis, wo sie den zweiten Platz belegten. Zukünftig planen sie, ein Industrieexemplar zu erstellen – derzeit bieten die Entwickler nur einen Prototyp an, der aus dem Bildungrobotikset LEGO MINDSTORMS Education EV3 gefertigt ist.

Das Gerät reproduziert die Bewegungen, die der Arzt ausführt – die Gelenke beginnen zu arbeiten, wodurch nicht nur ihre Beweglichkeit, sondern auch die der Muskelgruppen wiederhergestellt wird. Während die Geräte momentan über Bluetooth verbunden sind, wird in Zukunft eine Interaktion über das Internet oder Wi-Fi möglich sein.

Es gibt zwar ähnliche Geräte auf dem Markt, doch das astrakhansche Modell kann gleichzeitig mit Schulter-, Handgelenk- und Ellbogengelenken arbeiten. Zudem ist es tragbar und funktioniert mit einer Batterie. Es gibt auch die Möglichkeit zur Fernsteuerung, was bedeutet, dass der Patient zu Hause trainieren kann.

Bei der World Robotics Olympiad 2015 (WRO 2015) wurde das russische Team DRL aus St. Petersburg mit einem speziellen Preis für Kreativität von LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD) ausgezeichnet.

Das russische Team DRL stellte das Projekt CaveBot vor. Die Mitglieder aus St. Petersburg haben unter der Leitung von Trainer Sergej Filippow einen einzigartigen Forschungsroboter entwickelt, der unerforschtes Terrain in Höhlen entdecken kann. Die Entwicklung berührt verschiedene wissenschaftliche Bereiche, da der einzigartige Roboter es ermöglicht, Aufgaben unterschiedlicher Komplexität zu bewältigen.

Das Team baute einen Kletterroboter, der mit verschiedenen Sensoren ausgestattet ist, um Objekte zu entdecken, die anschließend untersucht werden sollen. Die gesammelten Daten können in 3D-Modelle auf dem Computer umgewandelt werden.

Der 13-jährige Shubham Banerjee hat einen Drucker Braille aus LEGO-Teilen im Rahmen eines schulischen Wissenschaftsprojekts. Später wurde mit der Unterstützung seiner Familie ein Startup gegründet, um die Erfindung zu vermarkten, das finanzielle Unterstützung von der technischen Firma Intel erhielt.

(Foto: Marcio Jose Sanchez, AP)

Die Idee, einen Drucker zu schaffen, kam Shubham, nachdem er sich im Internet über Braille informiert hatte. Als er herausfand, dass Drucker für Blindenschrift ab 2.000 $ und mehr kosten, entschloss sich der Schüler, eine kostengünstigere Version zu entwickeln.

Kurze Zeit nach der Erfindung begannen blinde Kinder und deren Eltern, Shubham zu kontaktieren, mit der einzigen Bitte, einen preiswerten Brailledrucker herzustellen und versicherten, „ihn direkt im Laden zu kaufen“.

Wie Sie sehen, ermöglicht der Einsatz von MINDSTORMS Education EV3 im Lernprozess den Schülern, ihre Fantasie voll auszuschöpfen, indem sie immer neue Mechanismen entwickeln, die nicht nur bei der Umsetzung von Ideen oder bei Experimenten helfen, sondern auch dabei, ihre zukünftige Berufung zu finden.

Wenn Sie Fragen zur Nutzung dieser Lösungen im Bildungsprozess (oder zu den Produkten selbst) haben, schreiben Sie diese bitte in die Kommentare.

Quelle: habr.com