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Une parabole bien connue raconte que lorsqu'une jeune mère avec un enfant dans les bras se tourna vers le sage et lui demanda à quel âge elle devait commencer à élever sa progéniture, le vieil homme répondit qu'elle était en retard d'autant d'années que l'enfant l'était déjà. . La situation concernant le choix d’une future vocation est assez similaire. Il est difficile d’exiger d’un bébé qu’il soit conscient de ses inclinations et de ses intérêts, mais dès le lycée, toutes sortes de spécialisations commencent, et à ce moment-là, il serait bien de savoir déjà dans quelle direction déplacer l’enfant adulte. Mais une chose dont nous sommes déjà presque sûrs, c’est qu’au cours des prochaines décennies, de 30 à 80 % des métiers seront entièrement automatisés.
La robotique, la cybernétique et la compréhension des algorithmes sont un ensemble de compétences avec lesquelles, très probablement, une personne ne sera pas confrontée à des perspectives aussi vagues. Bien entendu, il est fort probable que parallèlement au remplacement de la main-d'œuvre par des robots, le concept d'un revenu de base inconditionnel se développera également, mais il est peu probable que vous souhaitiez un tel avenir pour votre enfant.
Il existe désormais de nombreuses façons de montrer rapidement à un public jeune et intéressé les bases de la programmation et de la robotique. Tous sont peu coûteux, assez faciles à apprendre et permettent en quelques heures de comprendre les bases des algorithmes et les concepts des dispositifs cybernétiques. Mais dans les salles de classe, il est facile de rencontrer les inconvénients de ces plates-formes - résistance à l'usure limitée (et avouons-le, « résistance idiote » aussi) des planches à pain, interfaces logicielles peu conviviales pour les enfants de 11 à 12 ans et une taille relativement petite. élément « jeu ».
Le plus célèbre fabricant de sets éducatifs, LEGO Education, est aux prises avec tous ces défauts depuis plus de vingt ans. Nous parlons bien sûr de la plateforme MINDSTORMS Education EV3. Du Mindstorms RCX produit au début des années 90 au complexe MINDSTORMS Education EV3 le plus moderne, le principe de formation de la plateforme reste le même. Il repose sur une « brique intelligente », un micro-ordinateur doté d'un écran et de ports d'E/S auxquels sont connectés tous les autres composants. Comme dans tout système robotique, les périphériques sont divisés en capteurs et effecteurs. A l'aide de capteurs, le robot perçoit le monde qui l'entoure, et grâce aux effecteurs, il y réagit conformément au programme programmé. Les composants de la plate-forme sont reliés entre eux par de simples câbles sans soudure, et les structures mécaniques ne sont limitées que par la résistance des pièces en plastique et l'imagination des concepteurs.
Nous avons examiné les possibilités de telles solutions en général, mais nous souhaitons maintenant nous attarder plus en détail sur LEGO MINDSTORMS Education EV3.
EV3
LEGO MINDSTORMS Education EV3 est compatible avec les pièces Lego Technic. Cela signifie que la plate-forme peut être utilisée pour créer une grande variété de conceptions, voire des conceptions incroyables, depuis de simples « voitures » et « mains robotiques » jusqu'à des convoyeurs complexes ou même des « solveurs de Rubik's Cube ». Pratiquement n'importe quel ensemble Lego Technic peut être utilisé comme source de pièces pour des projets, et il n'y aura aucun problème à remplacer les pièces de rechange endommagées. Oui, ils n’ont pas l’air aussi brutaux que les vieux kits de construction soviétiques en aluminium, mais dans la pratique, ils s’avèrent encore plus résistants que les produits métalliques. Au moins dans ma collection, qui a débuté en 1993, aucune pièce cassée n'a encore été découverte.
L'ensemble éducatif de base MINDSTORMS Education EV3 est livré avec 541 pièces Lego Technic. Peut être acheté sous forme d'ensemble de ressources spécialisées comme (ou l'ancien 9648, produit pour NXT), ou simplement un constructeur de gros type (2800 pièces) ou (près de 4000 pièces) et, après avoir suffisamment joué avec le modèle principal, l'utiliser comme « briques » pour des expériences cybernétiques. En termes d'une pièce, Lego est ici très en avance sur les autres ensembles - seulement 3 à 5 roubles par pièce.
Eh bien, si quelqu’un possède une ancienne collection comprenant des dizaines de milliers de pièces, vous n’aurez pas du tout à vous soucier des ressources.
Capture d'écran du service Brickset (une base de données interactive pour les propriétaires de kits de construction Lego qui permet de collecter diverses statistiques) par l'auteur
Toutefois, cela ne s’applique qu’aux éléments « passifs » tels que les poutres, les roues ou les axes de liaison. Les capteurs et effecteurs, bien sûr, sont beaucoup plus chers, mais ils sont largement suffisants dans le kit de base. Mindstorms EV3 est livré avec trois moteurs (deux plus grands et plus puissants et un servo compact), une paire de capteurs tactiles (une sorte de boutons « intelligents »), des capteurs à ultrasons, gyroscopiques et de couleur (il peut également fonctionner en mode capteur de lumière). . De plus, la compatibilité avec les capteurs de la génération précédente de robots Lego Education, Mindstorms NXT, est maintenue (cela inclut, par exemple, un capteur de niveau de bruit).
Mais revenons à la « brique intelligente », cœur du système. Il s'agit en effet d'une « brique » assez lourde et volumineuse, équipée d'un écran LCD monochrome de 178x128 (non seulement le menu y est affiché, mais aussi toutes sortes d'images personnalisées pendant le fonctionnement) avec une couleur de rétroéclairage modifiable. À l'aide de fils avec un connecteur RJ-12 standard, des capteurs et des effecteurs y sont connectés (jusqu'à quatre appareils de chaque type), il y a un emplacement pour microSDHC et un port USB.
Ce dernier peut être utilisé à la fois pour télécharger les programmes eux-mêmes et pour mettre à jour le firmware. Cependant, le microcontrôleur n'est pas dépourvu d'interfaces sans fil : si vous le souhaitez, vous pouvez télécharger des programmes via Wi-Fi (nécessite un module externe) ou Bluetooth (intégré). De plus, si nous assemblons un robot télécommandé, nous pouvons le « diriger » en utilisant la communication sans fil depuis un smartphone ou une tablette.
À l’intérieur de la « brique intelligente » se trouvent un processeur ARM de 300 MHz, 16 Mo de mémoire permanente (et c’est pourquoi la carte est utile) et 64 Mo de RAM. Aussi modestes que ces chiffres puissent paraître, la puissance est largement suffisante pour exécuter même les algorithmes les plus complets que vous, ou plus encore un enfant en cours d'apprentissage, pouvez écrire. Et si on le compare avec le processeur 48 MHz de la génération précédente NXT, qui a récemment fêté ses dix ans, les progrès sont assez perceptibles. Cependant, on ne peut pas dire que NXT ralentisse sensiblement le processus de résolution de problèmes typiques.
De plus, un quatrième port pour les moteurs est apparu, ce qui en soi constitue une extension significative des fonctionnalités qui justifie la mise à niveau.
Le port USB prend désormais en charge le mode hôte, cela vous permet non seulement de connecter un adaptateur Wi-Fi, mais également de connecter plusieurs blocs EV3 en un seul robot complexe. Certes, le niveau des tâches devient totalement « pas enfantin ».
Enfin, MINDSTORMS Education EV3 prend désormais en charge la batterie. Au lieu de six piles AA, vous pouvez installer la batterie lithium-ion incluse pendant deux heures et demie. Bien sûr, personne n'interdit l'utilisation de piles AA de type eneloop, mais la nécessité de les retirer pour les charger rend leur utilisation inférieure à la moyenne. Et le prix d'une paire de kits eneloop avec chargeur est tout à fait comparable à celui d'une batterie de marque.
Oh oui, il existe un grand haut-parleur puissant qui peut désormais non seulement diffuser des airs rétro de l'ère 8 bits, mais également diffuser des sons plus agréables.
Examinons maintenant les effecteurs de l'ensemble de base. Deux d'entre eux sont des moteurs puissants similaires à ceux déjà utilisés dans NXT, des dispositifs oblongs qui développent un couple important grâce à un réducteur interne.
En cas de blocage du moteur, un embrayage mécanique est prévu, qui commence à patiner si le frottement est supérieur à celui calculé, il est donc assez difficile de brûler le moteur.
Il existe un capteur d'angle de rotation avec une résolution d'un degré (le moteur indique au contrôleur à quel angle son axe tourne actuellement) et la possibilité de synchroniser avec précision la rotation de tous les moteurs connectés.
Le troisième, appelé servomoteur M (moteur de taille moyenne), produit trois fois moins de couple, mais sa vitesse de rotation est presque deux fois plus élevée.
Quant aux capteurs, il ne faut pas vraiment se limiter à ceux proposés par LEGO Education (même s'ils sont géniaux pour tout projet éducatif), un certain nombre de sociétés tierces produisent des capteurs compatibles et parfois assez exotiques. Code source du micrologiciel et spécifications matérielles complètes .
Logiciel
Nous avons beaucoup parlé du matériel, mais en fait, ce n'est pas le seul élément qui détermine l'efficacité des cours de robotique. C'est la présence d'un logiciel véritablement intuitif sur plusieurs plateformes (Mac, PC, appareils mobiles) et fait de LEGO MINDSTORMS Education EV3 la plateforme de choix pour l'apprentissage, notamment entre l'école primaire et secondaire, pour les enfants âgés de dix ans.
Écran de bienvenue de l’application sur iPad
La visualisation des algorithmes dans le logiciel natif LEGO MINDSTORMS Education EV3 est tout simplement au plus haut niveau - en quelques minutes seulement, il suffit de maîtriser les principaux types d'interaction des blocs logiques (conditions de transition, boucle, etc.) puis d'augmenter progressivement la complexité des programmes. Bien sûr, il existe des projets éducatifs prêts à l'emploi pour des dizaines de modèles de robots différents, et si vous le souhaitez, vous pouvez trouver des milliers de programmes intéressants dans les communautés en ligne.
Exemple de programme dans une application iPad
Les utilisateurs avancés peuvent installer LabVIEW ou RobotC - les « cerveaux » de LEGO MINDSTORMS Education EV3 sont entièrement compatibles avec ces packages. Malheureusement, il ne sera pas possible d'exporter d'anciens projets pour NXT sans conversion supplémentaire.
D'un point de vue pédagogique, il est d'un bien plus grand intérêt . Il permet de conserver des cahiers électroniques pour les étudiants, grâce auxquels l'enseignant peut évaluer la réussite d'un élève en particulier à partir de sa version de l'application et suivre ses progrès. De plus, vous pouvez non seulement utiliser le matériel pédagogique disponible à bord du logiciel (et il en existe de nombreux), mais également créer le vôtre à l'aide de l'éditeur de contenu intégré.
Vidéos du didacticiel EV3 Content Editor
La version de bureau dispose également d'un utilitaire d'enregistrement de données avec la possibilité de programmer des zones graphiques en fonction des valeurs seuils. Autrement dit, un enseignant peut désormais facilement démontrer le fonctionnement des technologies modernes dans une maison intelligente, par exemple.
Le micro-ordinateur EV3 collectera les données des capteurs en temps réel et, en fonction du fond de température, lancera l'un ou l'autre programme modèle. Lorsque la température est élevée, le ventilateur s'allume et lorsque la température est basse, le chauffage s'allume. Et les étudiants pourront enregistrer et analyser les données, finalisant ainsi le modèle.
Enregistrement de données
L'ouverture du firmware « smart brick » a déjà joué son rôle : il existe des options alternatives qui prennent en charge les langages de programmation les plus populaires (des dizaines d'entre eux). Dans l’ensemble, l’utilisation d’EV3 peut être « attachée » à tout projet éducatif lié à la programmation, car peu de choses sont aussi agréables que la possibilité de voir le travail de ses propres algorithmes « dans le matériel ».
Beaucoup s’attendent à ce que la pierre d’achoppement dans cette histoire soit le prix. En effet, pour l'ensemble Basic, vous devrez débourser 29 900 roubles, plus 2 500 supplémentaires pour la recharge. Cependant, ce montant comprend les pièces détachées et l'électronique pour le travail confortable de deux étudiants, ainsi qu'un logiciel de base à part entière avec 48 leçons prêtes à l'emploi (qui depuis janvier 2016 est entièrement gratuit pour les particuliers et les organisations). Bien entendu, des équipements supplémentaires et des kits de mission peuvent augmenter le coût, mais dans des limites raisonnables. Donc un kit pour 8 étudiants, comprenant des sets de base et de ressources LME EV3, des chargeurs, des logiciels et , coûtera 174 900. Tout à fait acceptable pour équiper, par exemple, un cercle à l'école.
Oui, c'est nettement plus cher que les simples plates-formes de type Arduino. Mais les opportunités, ainsi que le niveau d’implication, sont bien plus élevés. Le programme basé sur EV3 peut être planifié en toute sécurité tout au long du lycée et au-delà. De plus, avec une utilisation adéquate de LEGO MINDSTORMS Education EV3, il « survivra » simplement à plusieurs kits simples en raison de ses qualités mécaniques, de sa facilité de remplacement et de la disponibilité des pièces (dans ma pratique, un seul câble RJ-12 devait être remplacé au cours des 10 ans). ancien NXT).
En conséquence, nous voyons un projet presque open source soutenu par une entreprise géante avec tous les bonus requis dans une telle situation - un long cycle de vie, la disponibilité de pièces détachées et d'extensions, des guides officiels et amateurs, une communauté développée. Mindstorms est devenu presque un standard dans les cours de robotique éducative occidentaux pour enfants, et ce serait vraiment cool de le voir largement adopté en Russie.
Choix du chemin
Et maintenant, passons à l'essentiel. Contrairement aux sets WeDo 2.0, EV3 s'adresse au lycée, et donc aux plus grands, pour qui la question du choix d'un futur métier est plus sérieuse.
Grâce à EV3, chaque élève pourra révéler plus activement les capacités qui lui étaient inhérentes par la nature, l'éducation et le processus éducatif.
Un mathématicien né surveillera de près la télémétrie des capteurs, comment est enregistrée exactement la distance parcourue par le robot, comment est enregistré l'angle selon lequel il s'écarte, et ainsi de suite.
Le futur informaticien se plongera bien entendu dans la programmation du robot, en analysant les algorithmes par lesquels il se déplace. Et il créera certainement le sien, non prévu par la notice standard.
Un enfant passionné de physique pourra réaliser des expériences visuelles à l'aide d'un robot ; heureusement, les décors n'ont aucun problème de capteurs, tout comme l'enfant n'a aucun problème d'imagination.
Dans l'ensemble, quels que soient les intérêts et les matières préférées de votre enfant à l'école, l'apprentissage avec les ensembles MINDSTORMS EV3 lui permettra d'être plus clairement mis en valeur et de se concentrer sur son développement futur.
Dans la vie
À l’heure actuelle, les solutions de l’entreprise sont déjà utilisées par les étudiants pour créer des projets intéressants, à la fois dans le cadre de divers concours et pour le développement général. Les médias ont parlé d'un certain nombre d'entre eux cette année.
Les écoliers d'Astrakhan Ruslan Kazimov et Mikhail Gladyshev, basés au parc technologique régional, ont développé un simulateur robotique pour la rééducation des articulations des mains.
photo - rg.ru
Les élèves de huitième année ont passé un peu moins de deux mois à développer le simulateur. Ils ont présenté leur projet au stade régional du IXe Concours panrusse de projets scientifiques et innovants dans le District fédéral du Sud, où ils ont pris la deuxième place. À l'avenir, ils prévoient de créer un prototype industriel - pour l'instant, les développeurs ne proposent qu'un prototype réalisé à partir de l'ensemble robotique éducatif LEGO MINDSTORMS Education EV3.
L'appareil duplique les mouvements effectués par le médecin - les articulations commencent à travailler, rétablissant ainsi la mobilité non seulement d'elles, mais également des groupes musculaires. Bien que les appareils soient connectés via Bluetooth, ils communiqueront à l’avenir via Internet ou Wi-Fi.
Il existe des analogues d'un tel appareil sur le marché, mais l'appareil Astrakhan peut fonctionner simultanément avec les articulations de l'épaule, du poignet et du coude. De plus, il est portable et fonctionne sur batterie. Il existe également la possibilité de contrôle à distance, c'est-à-dire que le patient peut s'entraîner sans quitter son domicile.
Lors de l'Olympiade mondiale de robotique 2015 (WRO 2015), l'équipe russe DRL de Saint-Pétersbourg a reçu un prix spécial pour la créativité de LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
L'équipe russe DRL a présenté le projet CaveBot. Des gars de Saint-Pétersbourg, sous la direction de l'entraîneur Sergei Filippov, ont créé un explorateur robotique unique pour découvrir des zones inexplorées dans les grottes. Le développement couvre divers domaines scientifiques, car ce robot unique permet d'effectuer des tâches de complexité variable.
L'équipe a construit un robot grimpeur équipé de divers capteurs pour détecter des objets en vue d'une exploration ultérieure. Les données résultantes peuvent être transformées en modèles 3D sur un ordinateur.
Et Shubham Banerjee, 13 ans, a créé Braille fabriqué à partir de pièces LEGO pour un projet scientifique scolaire. Plus tard, avec la participation de sa famille, une startup a été créée pour lancer l'invention, qui a reçu le soutien financier de la société technologique Intel.
(Photo : Marcio José Sánchez, AP)
L'idée de créer une imprimante est venue à Shubham après des recherches en braille sur Internet. Réalisant que les imprimantes à dactylographie coûtent 2,000 XNUMX $ et plus, l'étudiant a décidé d'en fabriquer une version moins chère.
Peu de temps après l'invention, des enfants aveugles et leurs parents ont commencé à contacter Shubham avec une seule demande : fabriquer une imprimante braille bon marché, en promettant de « l'acheter immédiatement ».
Comme vous pouvez le constater, l'utilisation de MINDSTORMS Education EV3 dans le processus d'apprentissage permet aux étudiants d'utiliser leur imagination au maximum, créant de plus en plus de nouveaux mécanismes qui non seulement aident à concrétiser des idées ou à mener visuellement des expériences, mais commencent également à décider leur futur métier.
Si vous avez des questions sur l'utilisation de ces solutions dans le processus pédagogique (ou sur les produits eux-mêmes), écrivez-les dans les commentaires.
Source: habr.com