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In einem bekannten Gleichnis heißt es, als sich eine junge Mutter mit einem Kind auf dem Arm an den Weisen wandte und fragte, in welchem Alter sie mit der Erziehung ihres Nachwuchses beginnen sollte, antwortete der Ältere, dass es für so viele Jahre, wie das Kind bereits hatte, zu spät sei . Bei der Berufswahl ist die Situation ganz ähnlich. Es ist schwierig, von einem Kleinkind ein Bewusstsein für die eigenen Neigungen und Interessen zu verlangen, aber bereits in der High School beginnen alle möglichen Spezialisierungen, und zu diesem Zeitpunkt wäre es schön, bereits zu wissen, in welche Richtung sich das erwachsene Kind bewegen soll. Aber eines wissen wir schon fast sicher: In den nächsten Jahrzehnten werden 30 bis 80 % der Berufe vollständig automatisiert sein.
Robotik, Kybernetik, Verständnis von Algorithmen – die Fähigkeiten, mit denen solche vagen Aussichten einen Menschen höchstwahrscheinlich nicht bedrohen werden. Natürlich wird sich höchstwahrscheinlich parallel zum Ersatz der Arbeitskräfte durch Roboter auch das Konzept eines bedingungslosen Grundeinkommens entwickeln, aber eine solche Zukunft wünscht man sich kaum für sein Kind.
Es gibt viele Möglichkeiten, einem jungen und interessierten Publikum schnell die Grundlagen der Programmierung und Robotik zu vermitteln. Sie sind alle kostengünstig, recht einfach zu erlernen und vermitteln in wenigen Stunden ein Verständnis der Grundlagen von Algorithmen und Konzepten kybernetischer Geräte. Aber in Klassenzimmern stößt man leicht auf die Nachteile dieser Plattformen – begrenzte Haltbarkeit (und, um ehrlich zu sein, auch „Idiotenresistenz“) von Steckbrettern, Softwareschnittstellen, die für Kinder im Alter von 11 bis 12 Jahren nicht sehr benutzerfreundlich sind, eine relativ kleine Element des „Spiels“.
All diese Mängel werden seit mehr als zwanzig Jahren beim bekanntesten Hersteller von Lernsets, LEGO Education, bekämpft. Die Rede ist natürlich von der MINDSTORMS Education EV3-Plattform. Ausgehend von Mindstorms RCX aus den frühen 90er Jahren und endend mit dem modernsten MINDSTORMS Education EV3-Komplex bleibt das Prinzip der Bildung einer Plattform dasselbe. Es basiert auf einem „intelligenten Baustein“, einem Mikrocomputer mit Bildschirm und Ein-/Ausgabeanschlüssen, an den alle anderen Komponenten angeschlossen sind. Wie in jedem Robotersystem werden Peripheriegeräte in Sensoren und Effektoren unterteilt. Mit Hilfe von Sensoren nimmt der Roboter die Welt um sich herum wahr und reagiert dank der Effektoren entsprechend dem programmierten Programm darauf. Die Plattformkomponenten werden mit einfachen Kabeln ohne Löten miteinander verbunden, und die mechanischen Strukturen werden nur durch die Festigkeit der Kunststoffteile und die Fantasie der Designer begrenzt.
Wir haben die Möglichkeiten solcher Lösungen im Allgemeinen betrachtet, wollen uns nun aber ausführlicher mit LEGO MINDSTORMS Education EV3 befassen.
EV3
LEGO MINDSTORMS Education EV3 ist mit Lego Technic-Teilen kompatibel. Dies bedeutet, dass mit der Plattform eine Vielzahl von sogar unglaublichen Designs erstellt werden können, von einfachen Autos und Roboterarmen bis hin zu komplexen Förderbändern oder sogar Zauberwürfel-Lösern. Tatsächlich kann jedes Lego Technic-Set als Ersatzteilquelle für Projekte dienen, und der Austausch beschädigter Ersatzteile stellt kein Problem dar. Ja, sie sehen nicht so brutal aus wie die alten sowjetischen Aluminiumkonstruktionen, aber in der Praxis erweisen sie sich als noch stärker als Metallprodukte. Zumindest in meiner Sammlung, die 1993 begann, wurde bisher kein einziges kaputtes Teil entdeckt.
Das MINDSTORMS Education EV3 Core Education Set enthält 541 Lego Technic-Teile. Kann als spezielles Ressourcenset erworben werden (oder der ältere 9648 vom NXT) oder einfach nur ein großer Konstrukteur wie (2800 Teile) bzw (fast 4000 Teile) und nachdem ich genug mit dem Hauptmodell gespielt hatte, legte ich es auf die „Bausteine“ für kybernetische Experimente. In Bezug auf ein Stück übertrifft Lego andere Sets hier deutlich – nur 3-5 Rubel pro Stück.
Nun, wenn jemand über eine alte Sammlung verfügt, die Zehntausende von Details umfasst, müssen Sie sich um die Ressourcen überhaupt keine Sorgen machen.
Screenshot des Brickset-Dienstes (eine interaktive Datenbank für Besitzer von Lego-Konstrukteuren, mit der Sie verschiedene Statistiken sammeln können) vom Autor
Dies gilt jedoch nur für „passive“ Elemente wie Balken, Räder oder Verbindungsstifte. Sensoren und Effektoren sind natürlich deutlich teurer, aber davon gibt es in der Grundausstattung mehr als genug. Mindstorms EV3 verfügt über drei Motoren (zwei größere und leistungsstärkere und ein kompaktes Servo), ein Paar Berührungssensoren (eine Art „intelligente“ Tasten), Ultraschall-, Gyroskop- und Farbsensoren (es kann auch im Lichtsensormodus arbeiten). Darüber hinaus bleibt die Kompatibilität mit Sensoren der Vorgängergeneration der Lego Education-Roboter, Mindstorms NXT, erhalten (dazu gehört beispielsweise ein Geräuschpegelsensor).
Doch zurück zum „Smart Brick“, dem Herzstück des Systems. Dies ist wirklich ein ziemlich schwerer und voluminöser „Baustein“, ausgestattet mit einem monochromen LCD-Bildschirm 178 x 128 (er zeigt nicht nur das Menü, sondern auch alle Arten von benutzerdefinierten Bildern an) mit einer veränderbaren Hintergrundbeleuchtungsfarbe. Über Kabel mit einem Standard-RJ-12-Anschluss werden Sensoren und Effektoren daran angeschlossen (bis zu vier Geräte jedes Typs), es gibt einen Steckplatz für microSDHC und einen USB-Anschluss.
Letzteres kann sowohl zum Herunterladen der eigentlichen Programme als auch zum Aktualisieren der Firmware genutzt werden. Dem Mikrocontroller fehlen jedoch keine drahtlosen Schnittstellen. Wenn Sie möchten, können Sie Programme über WLAN (ein externes Modul ist erforderlich) oder Bluetooth (eingebaut) herunterladen. Wenn wir einen ferngesteuerten Roboter zusammenbauen, kann er außerdem mithilfe der drahtlosen Kommunikation von einem Smartphone oder Tablet aus „gelenkt“ werden.
Im „Smart Brick“ stecken ein 300-MHz-ARM-Prozessor, 16 Megabyte permanenter Speicher (und deshalb ist die Karte praktisch) und 64 Megabyte RAM. So bescheiden diese Zahlen auch erscheinen mögen, es gibt mehr als genug Leistung, um selbst die verzweigtesten Algorithmen auszuführen, die Sie oder sogar ein Kind im Lernprozess schreiben können. Und vergleicht man ihn mit dem 48-MHz-Prozessor der vor Kurzem zehn Jahre alt gewordenen Vorgängergeneration NXT, dann ist der Fortschritt durchaus spürbar. Man kann jedoch nicht sagen, dass NXT bei der Lösung typischer Aufgaben merklich langsamer geworden ist.
Außerdem gibt es einen vierten Anschluss für die Motoren, was an sich schon eine erhebliche Funktionserweiterung darstellt, die das Upgrade rechtfertigt.
Der USB-Anschluss unterstützt jetzt den Host-Modus, der es Ihnen ermöglicht, nicht nur einen WLAN-Adapter anzuschließen, sondern auch mehrere EV3-Steine zu einem komplexen Roboter zu verbinden. Zwar wird das Aufgabenniveau gleichzeitig völlig „nicht kindisch“.
Schließlich verfügt MINDSTORMS Education EV3 über Unterstützung für Batteriebetrieb. Anstelle von sechs AA-Batterien können Sie den mitgelieferten Lithium-Ionen-Akku für zweieinhalb Amperestunden einbauen. Natürlich verbietet niemand die Verwendung von eneloop-Fingerbatterien, aber die Notwendigkeit, sie zum Laden herauszunehmen, macht die Benutzerfreundlichkeit unterdurchschnittlich. Und preislich sind ein paar Eneloop-Sets mit Ladegerät durchaus mit einem Markenakku vergleichbar.
Ach ja, es gibt einen großen und lauten Lautsprecher, der nun nicht nur Retro-Melodien aus der 8-Bit-Ära quietschen kann, sondern auch angenehmere Klänge abspielen kann.
Schauen wir uns nun die Effektoren aus dem Basisset an. Zwei davon sind leistungsstarke Motoren, ähnlich denen, die bereits im NXT verwendet werden, längliche Geräte, die dank eines internen Untersetzungsgetriebes ein beachtliches Drehmoment entwickeln.
Im Falle einer Blockierung des Motors ist eine mechanische Kupplung vorgesehen, die zu rutschen beginnt, wenn die Reibung größer als die berechnete ist, so dass es ziemlich schwierig ist, den Motor durchzubrennen.
Es gibt einen Drehwinkelsensor mit einer Auflösung von einem Grad (der Motor teilt dem Controller mit, um welchen Winkel seine Achse gerade gedreht wird) und der Möglichkeit, die Drehung aller angeschlossenen Motoren präzise zu synchronisieren.
Der dritte, der sogenannte M-Servo (Mittelmotor), erzeugt dreimal weniger Drehmoment, aber seine Drehzahl ist fast doppelt so hoch.
Was die Sensoren angeht, muss man sich nicht wirklich auf die von LEGO Education angebotenen beschränken (obwohl sie für jedes Bildungsprojekt übertrieben sind), eine Reihe von Drittfirmen stellen kompatible und manchmal recht exotische Sensoren her. Vollständiger Firmware-Quellcode und Hardware-Spezifikationen .
Software
Wir haben viel über die Hardwarebasis gesprochen, aber tatsächlich bestimmt nicht nur sie die Effektivität des Robotikunterrichts. Es ist das Vorhandensein wirklich intuitiver Software auf mehreren Plattformen (Mac, PC, mobile Geräte) und macht LEGO MINDSTORMS Education EV3 zur bevorzugten Lernplattform für Kinder in den Dreißigern, insbesondere an der Wende von der Grundschule zur weiterführenden Schule.
App-Begrüßungsbildschirm auf dem iPad
Die Visualisierung von Algorithmen in der nativen LEGO MINDSTORMS Education EV3-Software ist einfach auf höchstem Niveau – es reicht aus, in wenigen Minuten die wichtigsten Arten der Interaktion logischer Blöcke (Übergangsbedingungen, Schleife usw.) zu erlernen und sie dann schrittweise zu steigern die Komplexität von Programmen. Natürlich gibt es auch fertige Trainingsprojekte für Dutzende verschiedener Robotermodelle, und wenn Sie möchten, können Sie in Online-Communities Tausende interessante Programme finden.
Beispielprogramm in der iPad-App
Fortgeschrittene Benutzer können LabVIEW oder RobotC installieren – die „Gehirne“ von LEGO MINDSTORMS Education EV3 sind mit diesen Paketen vollständig kompatibel. Hier funktioniert es leider nicht, alte Projekte ohne zusätzliche Konvertierung für NXT zu exportieren.
Aus pädagogischer Sicht ist es viel interessanter . Es ermöglicht Ihnen, elektronische Notizbücher der Schüler zu führen, dank derer der Lehrer den Fortschritt eines bestimmten Schülers bewerten und seinen Fortschritt anhand seiner Version der Anwendung überwachen kann. Darüber hinaus können Sie nicht nur die an Bord der Software verfügbaren Schulungsmaterialien verwenden (von denen es viele gibt), sondern mit dem integrierten Inhaltseditor auch Ihre eigenen erstellen.
Tutorial-Videos zum EV3 Content Editor
Und in der Desktop-Version gibt es ein Datenprotokollierungsdienstprogramm mit der Möglichkeit, Diagrammbereiche abhängig von Schwellenwerten zu programmieren. Das heißt, jetzt kann ein Lehrer beispielsweise problemlos die Funktionsweise moderner Technologien in einem Smart Home demonstrieren.
Der EV3-Mikrocomputer sammelt in Echtzeit Daten von Sensoren und führt je nach Temperaturhintergrund das eine oder andere Modellprogramm aus. Bei hohen Temperaturen schaltet der Lüfter ein, bei niedrigen Temperaturen die Heizung. Und die Schüler werden in der Lage sein, die Daten zu erfassen und zu analysieren und so das Modell fertigzustellen.
Datenerfassung
Die Offenheit der „Smart Brick“-Firmware hat bereits ihre Rolle gespielt: Es gibt alternative Optionen mit Unterstützung für die gängigsten Programmiersprachen (Dutzende davon). Im Großen und Ganzen lässt sich der Einsatz von EV3 an jedes Bildungsprojekt im Zusammenhang mit Programmierung „festbinden“, denn es gibt kaum etwas Befriedigenderes als die Möglichkeit, die Arbeit der eigenen Algorithmen „in Hardware“ zu sehen.
Viele gehen davon aus, dass der Stolperstein in dieser Geschichte der Preis sein könnte. Tatsächlich müssen Sie für das Basisset 29 Rubel bezahlen, plus weitere 900 für das Aufladen. In diesem Betrag sind jedoch Teile und Elektronik für das komfortable Arbeiten von zwei Schülern sowie eine vollwertige Basissoftware mit 2 vorgefertigten Lektionen enthalten (die seit Januar 500 sowohl für Einzelpersonen als auch für Organisationen völlig kostenlos ist). Natürlich können zusätzliche Geräte und Arbeitssätze die Kosten erhöhen, aber im Rahmen des Zumutbaren. Also ein Kit für 48 Schüler, das die LME EV2016-Basis- und Ressourcenkits, Ladegeräte, Software usw. enthält , kostet 174. Es ist durchaus akzeptabel, beispielsweise einen Kreis in der Schule auszustatten.
Ja, es ist deutlich teurer als einfache Arduino-ähnliche Plattformen. Aber die Möglichkeiten und auch der Grad der Beteiligung sind viel höher. Ein EV3-basierter Lehrplan kann problemlos für die gesamte High School und darüber hinaus geplant werden. Darüber hinaus wird LEGO MINDSTORMS Education EV3 bei angemessener Nutzung aufgrund der mechanischen Eigenschaften, des einfachen Austauschs und der Verfügbarkeit von Teilen mehrere einfache Bausätze „überleben“ (in meiner Praxis musste bei einem 12-Jährigen nur ein RJ-10-Kabel ausgetauscht werden). NXT).
Als Ergebnis sehen wir ein nahezu Open-Source-Projekt, das von einem riesigen Unternehmen unterstützt wird und über alle in einer solchen Situation erforderlichen Boni verfügt – einen langen Lebenszyklus, die Verfügbarkeit von Ersatzteilen und Erweiterungen, offizielle und Amateur-Anleitungen sowie eine entwickelte Community. Mindstorms ist praktisch zum Standard für westliche Robotik-Unterrichtskurse für Kinder geworden, und es wäre wirklich cool, wenn es auch in Russland weit verbreitet wäre.
Einen Weg wählen
Und nun zur Hauptsache. Im Gegensatz zu WeDo 2.0-Sets konzentriert sich EV3 auf die Oberstufe bzw. auf ältere Kinder, für die die Frage nach der Berufswahl bereits ernster ist.
Mit EV3 wird jeder Schüler in der Lage sein, die Fähigkeiten, die ihm durch Natur, Erziehung und Lernprozess innewohnen, aktiver zu entfalten.
Ein geborener Mathematiker wird die Telemetrie der Sensoren genau überwachen, wie genau die zurückgelegte Strecke des Roboters erfasst wird, wie der Winkel, um den er abweicht, erfasst wird und so weiter.
Der zukünftige IT-Spezialist wird sich natürlich mit der Programmierung des Roboters befassen und die Algorithmen analysieren, nach denen er sich bewegt. Und er wird sicherlich seine eigenen erstellen, die in der Standardanleitung nicht vorgesehen sind.
Ein Kind, das sich für Physik interessiert, kann mit Hilfe eines Roboters visuelle Experimente durchführen, da die Sets keine Probleme mit Sensoren haben, genau wie ein Kind mit Fantasie.
Unabhängig von den Interessen und Lieblingsfächern Ihres Kindes in der Schule ermöglicht das Lernen mit den MINDSTORMS EV3-Kits im Allgemeinen eine klarere Identifizierung und Fokussierung auf seine zukünftige Entwicklung.
Im Leben
Derzeit werden die Lösungen des Unternehmens bereits von Studierenden für die Erstellung interessanter Projekte genutzt, sowohl im Rahmen verschiedener Wettbewerbe als auch für die allgemeine Weiterentwicklung. Über einige davon wurde in diesem Jahr in den Medien berichtet.
Die Astrachaner Schüler Ruslan Kazimov und Mikhail Gladyshev haben auf der Grundlage eines regionalen Technoparks einen Robotersimulator zur Rehabilitation von Handgelenken entwickelt.
Foto - rg.ru
Achtklässler verbrachten etwas weniger als zwei Monate mit der Entwicklung des Simulators. Sie stellten ihr Projekt auf der regionalen Bühne des IX. Allrussischen Wettbewerbs für wissenschaftliche und innovative Projekte im Südlichen Föderationskreis vor und belegten dort den zweiten Platz. In Zukunft planen sie die Erstellung eines industriellen Prototyps – bisher bieten die Entwickler nur einen Prototyp aus dem pädagogischen Robotikbausatz LEGO MINDSTORMS Education EV3 an.
Das Gerät dupliziert die vom Arzt ausgeführten Bewegungen – die Gelenke beginnen zu arbeiten und stellen so nicht nur ihre Beweglichkeit, sondern auch die Muskelgruppen wieder her. Während Geräte über Bluetooth verbunden sind, werden sie in Zukunft über das Internet oder WLAN interagieren.
Es gibt Analoga eines solchen Geräts auf dem Markt, das Astrachan-Gerät kann jedoch gleichzeitig mit den Schulter-, Handgelenk- und Ellenbogengelenken arbeiten. Darüber hinaus ist es tragbar und batteriebetrieben. Es besteht auch die Möglichkeit der Fernsteuerung, d. h. der Patient kann trainieren, ohne das Haus zu verlassen.
Bei der World Robotics Olympiad 2015 (WRO 2015) wurde das russische Team DRL aus St. Petersburg mit einem Sonderpreis für Kreativität von LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD) ausgezeichnet.
Das russische DRL-Team stellte das CaveBot-Projekt vor. Die Jungs aus St. Petersburg haben unter der Leitung des Trainers Sergey Filippov einen einzigartigen Forschungsroboter entwickelt, um unerforschte Gebiete in Höhlen zu entdecken. Die Entwicklung betrifft verschiedene wissenschaftliche Bereiche, da ein einzigartiger Roboter die Durchführung von Aufgaben unterschiedlicher Komplexität ermöglicht.
Das Team baute einen Kletterroboter, der mit verschiedenen Sensoren ausgestattet ist, um Objekte zu erkennen und sie zu erkunden. Die resultierenden Daten können am Computer in 3D-Modelle umgewandelt werden.
Und der 13-jährige Shubham Banerjee hat es geschaffen Blindenschrift aus LEGO-Steinen als Teil eines schulwissenschaftlichen Projekts. Später wurde unter Beteiligung seiner Familie ein Startup gegründet, um die Erfindung auf den Markt zu bringen, das vom Technologiekonzern Intel finanziell unterstützt wurde.
(Foto: Marcio Jose Sanchez, AP)
Die Idee, einen Drucker zu entwickeln, kam Shubham, nachdem er im Internet nach Blindenschrift recherchiert hatte. Nachdem der Student erkannte, dass Touch-Drucker 2,000 US-Dollar und mehr kosten, beschloss er, eine günstigere Version zu entwickeln.
Bald nach der Erfindung wandten sich blinde Kinder und ihre Eltern mit der einzigen Bitte an Shubham, einen kostengünstigen Brailledrucker herzustellen, und versprachen, ihn „direkt von der Stange zu kaufen“.
Wie Sie sehen, ermöglicht der Einsatz von MINDSTORMS Education EV3 im Lernprozess den Schülern, ihre Vorstellungskraft maximal zu entfalten und so immer mehr neue Mechanismen zu schaffen, die nicht nur dabei helfen, Ideen zu verwirklichen oder beliebige Experimente visuell durchzuführen, sondern auch mit der Entscheidungsfindung zu beginnen über ihren zukünftigen Beruf.
Wenn Sie Fragen zum Einsatz dieser Lösungen im Bildungsprozess (oder zu den Produkten selbst) haben, schreiben Sie diese in die Kommentare.
Source: habr.com