LEGO MINDSTORMS Education EV3 in der Berufsorientierung

Bild — roboconstructor.ru

Eine bekannte Parabel besagt, dass, als eine junge Mutter mit ihrem Kind in den Armen zu einem Weisen kam und fragte, ab wann sie mit der Erziehung ihres Sprösslings beginnen solle, der Weise antwortete, dass sie zu spät sei, umso mehr Jahre, wie das Kind bereits alt sei. Die Situation mit der Wahl des zukünftigen Berufs ist ähnlich. Es ist schwierig, von einem Kleinkind das Bewusstsein für seine Neigungen und Interessen zu verlangen, aber bereits in der Mittelstufe beginnen diverse Spezialisierungen, und bis dahin wäre es gut zu wissen, in welche Richtung das heranwachsende Kind gehen sollte. Aber eines wissen wir fast mit Sicherheit – in den nächsten Jahrzehnten werden 30 bis 80 % der Berufe vollständig automatisiert sein.

Robotik, Kybernetik, das Verständnis von Algorithmen – das ist die Fähigkeit, mit der es einem Menschen wahrscheinlich nicht droht, in eine ungewisse Zukunft zu geraten. Sicherlich wird parallel zur Ablösung der Arbeitskräfte durch Roboter auch das Konzept des bedingungslosen Grundeinkommens entwickelt werden, aber wahrscheinlich möchten Sie für Ihr Kind ein solches Zukunftsszenario nicht.

Es gibt viele Möglichkeiten, um der jungen und interessierten Zielgruppe die Grundlagen der Programmierung und Robotik schnell zu vermitteln. All diese Methoden sind kostengünstig, relativ einfach zu erlernen und vermitteln bereits nach wenigen Stunden ein Verständnis der Grundlagen von Algorithmen und Konzepten kybernetischer Geräte. In Unterrichtsräumen kann man jedoch auch auf die Nachteile dieser Plattformen stoßen – die begrenzte Verschleißfestigkeit (und um die Wahrheit zu sagen, auch die „idiotensichere“ Qualität) von Prototypen-Platinen, sowie die nicht besonders kindgerechten Software-Oberflächen für Kinder im Alter von 11-12 Jahren, die den Spielelement-Charakter nur in begrenztem Maße bieten.

Mit all diesen Mängeln kämpft die bekannteste Firma für Bildungssysteme, LEGO Education, seit über zwanzig Jahren. Gemeint ist natürlich die Plattform MINDSTORMS Education EV3. Vom ursprünglichen Mindstorms RCX aus den frühen 90er Jahren bis zu dem modernsten System MINDSTORMS Education EV3 bleibt das Grundprinzip der Plattform unverändert. Im Kern steht der „intelligente Stein“ („intelligent brick“), ein Mikrocomputer mit Bildschirm und Ein-/Ausgängen, an den alle anderen Komponenten angeschlossen werden. Wie in jedem Robotersystem sind die Peripheriegeräte in Sensoren und Aktoren unterteilt. Mit Hilfe von Sensoren nimmt der Roboter seine Umgebung wahr, und durch Aktoren reagiert er gemäß dem programmierten Ablauf. Die Komponenten der Plattform werden einfach über nicht lötbare Kabel verbunden, und die mechanischen Konstruktionen sind lediglich durch die Festigkeit der Plastikteile und die Fantasie der Konstrukteure begrenzt.

Im vorherigen Post haben wir die Möglichkeiten solcher Lösungen im Allgemeinen betrachtet, möchten jetzt jedoch detaillierter auf LEGO MINDSTORMS Education EV3 eingehen.

EV3

LEGO MINDSTORMS Education EV3 ist mit Lego Technic-Teilen kompatibel. Das bedeutet, dass die Plattform für die Erstellung der unterschiedlichsten und sogar unglaublichen Konstruktionen genutzt werden kann, von einfachen „Fahrzeugen“ und „Roboterhänden“ bis hin zu komplexen Förderbändern oder sogar „Lösungen“ für den Rubik-Würfel. Tatsächlich kann jedes Lego Technic-Set zur Quelle von Teilen für Projekte werden, und auch der Austausch beschädigter Ersatzteile bereitet keine Probleme. Ja, sie sehen nicht so robust aus wie der alte sowjetische Aluminium-Baukasten, erweisen sich aber in der Praxis sogar als stabiler als Metallprodukte. Zumindest in meiner Sammlung, die 1993 begann, gibt es bisher kein einziges kaputtes Teil.

Im Lieferumfang des Basisbildungskits MINDSTORMS Education EV3 sind 541 Lego Technic-Teile enthalten. Man kann zusätzlich entweder ein spezielles Ressourcenset wie 45560 oder das ältere 9648, das noch für NXT produziert wurde, kaufen, ebenso wie einfach ein großes Baukastenset wie 42043 (2800 Teile) oder 42055 (fast 4000 Teile), und nach ausgiebigem Spielen mit dem Hauptmodell die Teile für kybernetische Experimente verwenden. Im Verhältnis zu einem einzelnen Lego-Teil hat dieses Set erheblich Vorteile gegenüber anderen Sets – man zahlt nur 3-5 Rubel pro Stück.

Wenn jemand eine alte Kollektion mit Zehntausenden von Teilen hat, muss man sich um Ressourcen wirklich keine Sorgen machen.

Screenshot aus dem Dienst Brickset (eine interaktive Datenbank für Besitzer von Lego-Bausätzen, die verschiedene Statistiken sammelt) von dem Autor

Dies betrifft jedoch nur "passive" Elemente wie Balken, Räder oder Verbindungsstifte. Sensoren und Aktoren sind natürlich deutlich teurer, aber im Basis-Kit sind sie mehr als ausreichend. Mindstorms EV3 wird mit drei Motoren (zwei größere und leistungsstärkere und einem kompakten Servomotor), einer Reihe von Berührungssensoren (eine Art "intelligente" Tasten), sowie einem Ultraschall-, Gyroskop- und Farbsensor (dieser kann auch im Beleuchtungssensor-Modus arbeiten) geliefert. Außerdem bleibt die Kompatibilität zu den Sensoren der vorherigen Generation von Lego Education – Mindstorms NXT (auch ein Geräuschsensor gehört dazu) erhalten.

Kommen wir zurück zum "intelligenten Ziegelstein", dem Herzen des Systems. Dies ist tatsächlich ein ziemlich schwerer und voluminöser "Ziegel", ausgestattet mit einem monochromen LCD-Bildschirm 178x128 (auf dem nicht nur das Menü, sondern auch verschiedene benutzerdefinierte Bilder während des Betriebs angezeigt werden) mit einstellbarer Hintergrundbeleuchtung. Sensoren und Aktoren (bis zu vier Geräte jedes Typs) werden über Standardkabel mit RJ-12-Anschluss angeschlossen; es gibt einen Slot für microSDHC und einen USB-Port.

Letzteren kann man sowohl für das Hochladen eigener Programme als auch für die Aktualisierung der Firmware verwenden. Der Mikrocontroller ist jedoch auch mit drahtlosen Schnittstellen ausgestattet. Programme können bei Bedarf über Wi-Fi (es wird ein externes Modul benötigt) oder Bluetooth (ist eingebaut) hochgeladen werden. Außerdem kann man, wenn wir einen Roboter mit Fernbedienung zusammenbauen, ihn mithilfe einer drahtlosen Verbindung mit einem Smartphone oder Tablet steuern.

Im Inneren des „intelligenten Ziegels“ arbeitet ein 300-Megahertz ARM-Prozessor, 16 Megabyte Flash-Speicher (und dafür ist die Karte nützlich) sowie 64 Megabyte RAM. So bescheiden diese Zahlen auf den ersten Blick erscheinen mögen, um selbst die komplexesten Algorithmen auszuführen, die Sie oder noch mehr ein Kind im Lernprozess schreiben könnte, reicht die Leistung mehr als aus. Vergleicht man dies mit dem 48-Megahertz-Prozessor der vorherigen NXT-Generation, die vor kurzem zehn Jahre alt wurde, ist der Fortschritt durchaus bemerkenswert. Allerdings kann man nicht sagen, dass das NXT bei der Lösung typischer Aufgaben spürbar langsamer wäre.

Außerdem gibt es jetzt einen vierten Anschluss für Motoren, der bereits eine erhebliche Erweiterung der Funktionen darstellt und das Upgrade rechtfertigt.

Der USB-Anschluss unterstützt jetzt den Host-Modus, sodass nicht nur ein WLAN-Adapter angeschlossen werden kann, sondern auch mehrere EV3-Module zu einem komplexen Roboter verbunden werden können. Allerdings wird auch das Niveau der Aufgaben dadurch völlig „nicht kinderleicht“.

Schließlich hat MINDSTORMS Education EV3 Unterstützung für batteriebetriebene Energieversorgung erhalten. Anstelle von sechs AA-Batterien kann der mitgelieferte Lithium-Ionen-Akku mit zwei Ampere-Stunden installiert werden. Natürlich steht es jedem frei, mit AA-Akkus vom Typ eneloop zu arbeiten, aber die Notwendigkeit, diese zum Laden herauszunehmen, macht die Benutzerfreundlichkeit unterdurchschnittlich. Außerdem ist der Preis für ein paar eneloop-Sets mit Ladegerät durchaus mit dem originalen Akku vergleichbar.

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

Jetzt schauen wir uns die Aktoren aus dem Basisset an. Zwei davon sind leistungsstarke Motoren, ähnlich denen, die bereits im NXT verwendet wurden, längliche Geräte, die durch ein internes Untersetzungsgetriebe ein erhebliches Drehmoment entwickeln.

Für den Fall, dass der Motor blockiert, gibt es eine mechanische Kupplung, die zu rutschen beginnt, wenn die Reibung über dem berechneten Wert liegt, sodass der Motor recht schwer zu überhitzen ist.
Es gibt einen Drehwinkelsensor mit einer Auflösung von einem Grad (der Motor informiert den Controller, um welchen Winkel seine Achse derzeit gedreht ist) sowie die Möglichkeit, die Drehung aller angeschlossenen Motoren präzise zu synchronisieren.

Der dritte, sogenannte M-Servomotor (ein Motor mittlerer Größe) erzeugt dreimal weniger Drehmoment, dafür ist seine Drehgeschwindigkeit fast doppelt so hoch.

Was die Sensoren betrifft, so ist es in der Tat nicht unbedingt notwendig, sich auf die von LEGO Education angebotenen zu beschränken (obwohl diese für jedes Bildungsprojekt mehr als ausreichend sind); mehrere Drittanbieter stellen kompatible und manchmal sehr exotische Sensoren her. Der Quellcode der Firmware und die technischen Spezifikationen sind vollständig offen.

Software

Wir haben viel über die Hardware-Basis gesprochen, aber tatsächlich definiert nicht nur diese die Effektivität des Robotikunterrichts. Vielmehr ist es das Vorhandensein wirklich intuitiver Software auf mehreren Plattformen (Mac, PC, mobile Geräte) und fertiger Lehrpläne die LEGO MINDSTORMS Education EV3 zur bevorzugten Plattform für die Ausbildung macht, insbesondere an der Schwelle zur Grund- und Mittelschule für etwa zehnjährige Kinder.

Der Begrüßungsbildschirm der App auf dem iPad

Die Visualisierung von Algorithmen in der nativen Software LEGO MINDSTORMS Education EV3 ist einfach von höchster Qualität – man kann die grundlegenden Arten des Zusammenwirkens logischer Blöcke (Übergangsbedingungen, Schleifen usw.) in nur wenigen Minuten erfassen und die Komplexität der Programme im Laufe der Zeit schrittweise erhöhen. Natürlich gibt es auch fertige Lernprojekte für Dutzende verschiedener Robotermodelle, und wenn man möchte, kann man in Internetgemeinschaften Tausende interessanter Programme finden.

Beispielprogramm in der App für iPad

Fortgeschrittene Benutzer können LabVIEW oder RobotC installieren – das "Gehirn" von LEGO MINDSTORMS Education EV3 ist vollständig mit diesen Paketen kompatibel. Leider kann man alte Projekte für NXT nicht ohne zusätzliche Konvertierung exportieren.

Aus bildungstechnischer Sicht ist die Version der Software für Desktop-Computer. Diese ermöglicht es, elektronische Notizbücher der Schüler zu führen, durch die der Lehrer aus seiner Version der App die Erfolge eines bestimmten Schülers bewerten und seinen Fortschritt beobachten kann. Außerdem kann man nicht nur die im System vorhandenen Lehrmaterialien (von denen es viele gibt) verwenden, sondern mit dem integrierten Inhaltseditor auch eigene Materialien erstellen.

Schulungsvideos zur Nutzung des Inhaltseditors EV3

Außerdem gibt es in der Desktop-Version ein Datenregistrierungstool, mit dem Sie die Bereiche des Diagramms je nach Schwellenwerten programmieren können. Das heißt, der Lehrer kann jetzt problemlos moderne Technologien im Rahmen des Smart Home demonstrieren, zum Beispiel.

Der Mikrocomputer EV3 wird Daten von Sensoren in Echtzeit sammeln und je nach Temperaturumgebung ein bestimmtes Programm des Modells starten. Bei hoher Temperatur wird der Ventilator aktiviert, bei niedriger der Heizlüfter. Schüler können die Daten aufzeichnen und analysieren und das Modell weiterentwickeln.

Datenprotokollierung

Die Offenheit der Firmware des 'intelligenten Bausteins' hat bereits eine Rolle gespielt: Es gibt alternative Optionen mit Unterstützung für die meisten gängigen Programmiersprachen (Dutzende davon). Im Grunde kann die Verwendung von EV3 in jedes Bildungsprojekt integriert werden, das mit Programmierung zu tun hat, da wenig so erfreulich ist wie die Möglichkeit, die Funktionsweise eigener Algorithmen 'in Hardware' zu sehen.

Viele erwarten, dass der Preis in dieser Angelegenheit ein Stolperstein sein könnte. Tatsächlich muss man für das Basispaket 29.900 Rubel zahlen, plus weitere 2.500 für das Ladegerät. In diesem Betrag sind jedoch die Teile und die Elektronik für den komfortablen Betrieb von zwei Schülern sowie die vollständige Basissoftware mit 48 vorbereiteten Lektionen enthalten (die seit Januar 2016 vollständig kostenlos ist, sowohl für Privatpersonen als auch für Organisationen). Natürlich können zusätzliches Equipment und Aufgabensets die Kosten erhöhen, aber im vertretbaren Rahmen. So kostet das Set für 8 Schüler, das Basis- und Ressourcensets LME EV3, Ladegeräte, Software und ein zusätzliches Aufgabenpaket 'Ingenieurprojekte', insgesamt 174.900. Völlig akzeptabel für die Ausstattung eines Schulclubs zum Beispiel.

Ja, das ist deutlich teurer als einfache Arduino-ähnliche Plattformen. Aber die Möglichkeiten sowie das Engagement sind deutlich höher. Das Lehrprogramm auf Basis von EV3 kann für die gesamte Mittel- und Oberstufe problemlos geplant werden. Zudem wird das LEGO MINDSTORMS Education EV3 bei angemessener Nutzung einfach mehrere einfache Sets überstehen, aufgrund der mechanischen Qualität, der einfachen Austauschgängigkeit und der Verfügbarkeit von Teilen (in meiner Praxis war nur eines von zehn RJ-12-Kabeln im zehnjährigen NXT austauschbedürftig).

Am Ende sehen wir praktisch ein Open-Source-Projekt, das von einem riesigen Unternehmen unterstützt wird und alle in einer solchen Situation üblichen Vorteile bietet – eine lange Lebensdauer, Verfügbarkeit von Ersatzteilen und Erweiterungen, offizielle und inoffizielle Anleitungen sowie eine aktive Gemeinschaft. Mindstorms ist praktisch zum Standard in westlichen Bildungseinrichtungen für Robotik für Kinder geworden, und es wäre wirklich großartig, eine breite Verbreitung auch in Russland zu sehen.

Wahl des Weges

Kommen wir nun zum Hauptthema. Im Gegensatz zu den WeDo 2.0-Sets richtet sich EV3 an die weiterführende Schule, also an ältere Kinder, für die die Frage der Berufswahl bereits ernsthafter wird.

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

Ein geborener Mathematiker wird die Telemetrie der Sensoren aufmerksam verfolgen, wie genau die vom Roboter zurückgelegte Strecke erfasst wird, wie der Winkel festgehalten wird, um den er sich neigt, und weiteres.

Ein zukünftiger IT-Spezialist wird selbstverständlich ins Programmieren des Roboters eintauchen und die Algorithmen analysieren, nach denen er sich bewegt. Und er wird auf jeden Fall eigene, nicht in der Standardanleitung vorgesehene erstellen.

Ein von Physik begeistertes Kind wird mit Hilfe des Roboters anschauliche Experimente durchführen können, da es an Sensoren in den Sets nicht mangelt, ebenso wenig wie an der Fantasie des Kindes.

Im Allgemeinen, welche Interessen und Lieblingsfächer ein Kind auch hat, das Lernen mit den MINDSTORMS EV3-Sets ermöglicht es, diese klarer zu definieren und sich in Zukunft auf deren Entwicklung zu konzentrieren.

Im Leben

Aktuell werden die Lösungen des Unternehmens bereits von Schülern genutzt, um interessante Projekte zu erstellen, sowohl im Rahmen verschiedener Wettbewerbe als auch zur allgemeinen Entwicklung. Über einige dieser Projekte wurde in diesem Jahr in den Medien berichtet.

Die Astrakhanschen Schüler Ruslan Kasimov und Michail Gladychev haben in Zusammenarbeit mit dem regionalen Technologiepark einen Roboter-Trainer zur Rehabilitation der Handgelenke entwickelt.

foto – rg.ru

Die Achtklässler haben fast zwei Monate mit der Entwicklung des Simulators verbracht. Sie präsentierten ihr Projekt auf der regionalen Etappe des IX. Allrussischen Wettbewerbs für Wissenschafts- und Innovationsprojekte im Südlichen Föderalen Bezirk, wo sie den zweiten Platz belegten. In Zukunft planen sie, ein industrielles Muster zu erstellen – derzeit bieten die Entwickler nur einen Prototyp an, der aus dem Bildungsspielzeug-Kit LEGO MINDSTORMS Education EV3 gefertigt ist.

Das Gerät dupliziert die Bewegungen, die der Arzt ausführt – die Gelenke beginnen zu funktionieren, wodurch die Beweglichkeit nicht nur ihrer selbst, sondern auch von Muskelgruppen wiederhergestellt wird. Momentan sind die Geräte über Bluetooth verbunden, in der Zukunft werden sie über das Internet oder WLAN kommunizieren.

Ähnliche Geräte sind auf dem Markt erhältlich, jedoch kann das Astrakhan-Gerät gleichzeitig mit Schulter-, Handgelenks- und Ellbogengelenken arbeiten. Darüber hinaus ist es tragbar und läuft mit einem Akku. Es gibt auch die Möglichkeit der Fernsteuerung, sodass der Patient Zuhause trainieren kann.

Beim Weltwettbewerb für Robotik 2015 (WRO 2015) wurde das russische Team DRL aus Sankt Petersburg mit einem Sonderpreis für Kreativität von der Firma LEGO Education ausgezeichnet (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).

Das Russische Team DRL stellte das Projekt CaveBot vor. Die Jungs aus Sankt Petersburg unter der Leitung des Trainers Sergey Filippov schufen einen einzigartigen Forschungsroboter zur Entdeckung unerforschter Gebiete in Höhlen. Die Entwicklung berührt verschiedene wissenschaftliche Bereiche, da der einzigartige Roboter die Durchführung von Aufgaben unterschiedlicher Komplexität ermöglicht.

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

Und der 13-jährige Shubham Banerjee schuf einen Drucker in Braille aus LEGO-Teilen im Rahmen eines schulischen Forschungsprojekts. Später, mit Unterstützung seiner Familie, wurde ein Startup zur Vermarktung seiner Erfindung gegründet, das finanzielle Unterstützung von der technischen Firma Intel erhielt.

(Foto: Marcio Jose Sanchez, AP)

Die Idee, einen Drucker zu erstellen, kam Shubham nach einer Recherche über Braille im Internet. Als ihm klar wurde, dass Drucker für die blindengerechte Beschriftung ab 2.000 $ und mehr kosten, beschloss der Schüler, eine günstigere Version herzustellen.

Kurz nach der Erfindung begannen blinde Kinder und ihre Eltern, sich an Shubham zu wenden, mit der einzigen Bitte, einen erschwinglichen Braille-Drucker herzustellen, versprechend, "ihn direkt vom Regal zu kaufen".

Wie Sie sehen, ermöglicht die Verwendung von MINDSTORMS Education EV3 im Bildungsprozess den Schülern, ihre Fantasie maximal auszuleben, indem sie immer neue Mechanismen schaffen, die nicht nur helfen, Ideen zu verwirklichen oder anschauliche Experimente durchzuführen, sondern auch ermöglichen, sich über ihre zukünftige Berufung Gedanken zu machen.

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

Quelle: habr.com