immagine — roboconstructor.ru
Una famosa parabola racconta che, quando una giovane madre si rivolse a un saggio con il bambino in braccio e chiese da quale età dovesse iniziare a educarlo, il saggio rispose che era già in ritardo di tanti anni quanti erano quelli del bambino. La situazione è abbastanza simile per la scelta della futura vocazione. È difficile aspettarsi che un neonato abbia consapevolezza delle proprie inclinazioni e interessi, ma già alle scuole medie iniziano le varie specializzazioni, ed è bene che a quel punto si sappia già in quale direzione muoversi per il proprio figlio. Ma una cosa la sappiamo quasi per certo: nei prossimi decenni, dal 30 all'80% delle professioni saranno completamente automatizzate.
Robotica, cibernetica, comprensione degli algoritmi: sono insieme di competenze con cui, probabilmente, gli esseri umani non si troveranno di fronte a prospettive così incerete. Certo, è probabile che parallelamente alla sostituzione della forza lavoro con robot si svilupperà anche il concetto di reddito di base incondizionato, ma è difficile pensare che tu voglia un futuro simile per tuo figlio.
Ci sono molti modi per introdurre rapidamente un pubblico giovane e interessato alle basi della programmazione e della robotica. Tutti costano poco, sono abbastanza facili da apprendere e offrono una comprensione delle basi degli algoritmi e dei concetti delle apparecchiature cibernetiche già dopo poche ore. Tuttavia, nelle aule scolastiche si possono facilmente riscontrare anche i difetti di queste piattaforme: una limitata resistenza all'usura (e non nascondiamolo, anche una certa 'resistenza all'imbranataggine') delle schede didattiche, interfacce software non molto amichevoli per bambini di 11-12 anni e un elemento relativamente ridotto di 'gioco'.
Negli ultimi venti anni, la più nota azienda produttrice di kit educativi, LEGO Education, ha affrontato tutte queste problematiche. Ci riferiamo, naturalmente, alla piattaforma MINDSTORMS Education EV3. A partire dai modelli RCX Mindstorms prodotti all'inizio degli anni '90, fino all'odierno sistema MINDSTORMS Education EV3, il principio alla base della piattaforma è rimasto invariato. Il cuore è costituito dal "mattoncino intelligente" ("intelligent brick"), un microcomputer con schermo e porte di input/output, a cui si collegano tutti gli altri componenti. Come in qualsiasi sistema di robotica, i dispositivi periferici si dividono in sensori ed attuatori. Grazie ai sensori, il robot è in grado di percepire il mondo circostante, mentre gli attuatori gli consentono di reagire secondo il programma predefinito. I componenti della piattaforma si collegano tra loro tramite semplici cavi senza saldature, e le strutture meccaniche sono limitate solo dalla resistenza delle parti in plastica e dalla fantasia dei costruttori.
abbiamo esaminato le possibilità di tali soluzioni in generale, ora desideriamo soffermarci più nel dettaglio sulla LEGO MINDSTORMS Education EV3.
EV3
LEGO MINDSTORMS Education EV3 è compatibile con i pezzi LEGO Technic. Ciò significa che la piattaforma può essere utilizzata per creare le più varie e persino sorprendenti costruzioni, da semplici "automobili" e "bracci robotici" a complessi nastri trasportatori o addirittura "risolutori" di cubi di Rubik. Praticamente qualsiasi set LEGO Technic può diventare una fonte di pezzi per progetti, e non ci saranno problemi a sostituire parti di ricambio danneggiate. Sì, non sembrano così robusti come il vecchio costruttore in alluminio sovietico, ma si rivelano persino più resistenti dei prodotti in metallo. Almeno nella mia collezione, avviata nel 1993, non ho ancora trovato un pezzo rotto.
Il kit base educativo MINDSTORMS Education EV3 comprende 541 pezzi LEGO Technic. È possibile acquistare anche un set di risorse specializzato come (o il più vecchio 9648, prodotto per NXT), oppure semplicemente un grande costruzioni come (2800 pezzi) o (quasi 4000 pezzi), e, dopo aver giocato a sufficienza con il modello base, utilizzarlo per esperimenti cibernetici. A confronto con altri set LEGO, qui il costo per pezzo è molto vantaggioso – appena 3-5 rubli ciascuno.
E se qualcuno ha conservato una vecchia collezione che include decine di migliaia di pezzi, non dovrà preoccuparsi delle risorse.
Screenshot del servizio Brickset (una base interattiva per i proprietari di set Lego, che consente di raccogliere varie statistiche) autore
Tuttavia, questo riguarda solo gli elementi "passivi" come travi, ruote o perni di collegamento. I sensori e gli attuatori, ovviamente, costano significativamente di più, ma nel set di base ce n'è più che a sufficienza. Mindstorms EV3 viene fornito con tre motori (due maggiori e più potenti e uno servo motor compatto), un paio di sensori di contatto (una sorta di "pulsanti smart"), sensori ad ultrasuoni, giroscopici e di colore (quest'ultimo può anche funzionare in modalità sensore di luminosità). Inoltre, è mantenuta la compatibilità con i sensori della generazione precedente di robot Lego Education – Mindstorms NXT (incluso, ad esempio, il sensore di livello di rumore).
Ma torniamo al "mattoncino intelligente", il cuore del sistema. Si tratta davvero di un "mattoncino" piuttosto pesante e voluminoso, dotato di uno schermo LCD monocromatico 178x128 (su cui vengono visualizzati non solo i menu ma anche varie immagini personalizzate durante l'uso) con retroilluminazione a colore variabile. I sensori e gli attuatori (fino a quattro dispositivi di ciascun tipo) si collegano ad esso tramite cavi con connettore standard RJ-12, ed è presente uno slot per microSDHC e una porta USB.
Quest'ultima può essere utilizzata sia per caricare i programmi propri che per aggiornare il firmware. Tuttavia, il microcontrollore non è privo di interfacce wireless, e se lo si desidera, si possono caricare programmi tramite Wi-Fi (è necessario un modulo esterno) o Bluetooth (è integrato). Inoltre, se stiamo assemblando un robot con controllo remoto, è possibile pilotarlo utilizzando una connessione wireless con uno smartphone o un tablet.
All'interno del "mattoncino intelligente" vive un processore ARM da 300 MHz, 16 megabyte di memoria permanente (ed ecco a cosa serve la scheda) e 64 megabyte di memoria volatile. Anche se questi numeri possono sembrare modesti, per eseguire anche gli algoritmi più complessi, che voi o ancora di più un bambino in fase di apprendimento potete scrivere, la potenza è più che sufficiente. E se confrontato con il processore da 48 MHz della generazione precedente NXT, che ha recentemente compiuto dieci anni, il progresso è davvero evidente. Tuttavia, non si può dire che il NXT abbia rallentato in modo significativo nella risoluzione dei compiti standard.
In aggiunta, è stato aggiunto un quarto porto per i motori, un notevole ampliamento delle funzionalità che giustifica l'upgrade.
La porta USB ora supporta la modalità host, permettendo di collegare non solo un adattatore Wi-Fi, ma anche di unire più unità EV3 in un solo robot complesso. Tuttavia, il livello delle sfide diventa completamente "non infantile".
Infine, MINDSTORMS Education EV3 ha ottenuto il supporto per l'alimentazione a batteria. Invece di sei batterie AA, è possibile installare la batteria agli ioni di litio da due ampere-ora inclusa nel pacchetto. Certo, nessuno vieta di utilizzare batterie stilo tipo eneloop, ma la necessità di rimuoverle per la ricarica rende l'usabilità inferiore alla media. Inoltre, il prezzo di un paio di kit eneloop con caricabatterie è piuttosto comparabile a quello della batteria originale.
Ah già, è stato aggiunto un grande e potente altoparlante, che ora può non solo riprodurre melodie retro dell'era a 8 bit, ma anche suoni più piacevoli.
Ora diamo un'occhiata agli attuatori del kit base. Due di essi sono motori potenti, simili a quelli già utilizzati nel NXT, dispositivi allungati che sviluppano un notevole momento torcentale grazie alla riduzione interna.
In caso di blocco del motore, è previsto un freno meccanico che inizia a slittare se l'attrito supera quello calcolato, quindi è piuttosto difficile bruciare il motore.
È presente un sensore di angolo di rotazione con una risoluzione di un grado (il motore informa il controller di quanto è attualmente ruotato il suo asse) e la possibilità di sincronizzare perfettamente la rotazione di tutti i motori connessi.
Il terzo, noto come servomotore M (motore di dimensioni medie), produce un momento torcentale tre volte inferiore, ma la sua velocità di rotazione è quasi il doppio.
Per quanto riguarda i sensori, non è affatto necessario limitarsi a quelli offerti da LEGO Education (anche se sono più che sufficienti per qualsiasi progetto educativo); diverse aziende terze producono sensori compatibili e talvolta piuttosto esotici. Il codice sorgente del firmware e le specifiche hardware sono completamente .
Software
Abbiamo parlato molto della base hardware, ma in realtà non è solo quella a determinare l'efficacia delle lezioni di robotica. È la disponibilità di software veramente intuitivo su una varietà di piattaforme (Mac, PC, dispositivi mobili) a far sì che LEGO MINDSTORMS Education EV3 sia la piattaforma di scelta per l'insegnamento, soprattutto al passaggio dalla scuola elementare a quella media, per bambini di circa dieci anni.
La schermata di benvenuto dell'applicazione su iPad
La visualizzazione degli algoritmi nel software nativo LEGO MINDSTORMS Education EV3 è semplicemente eccellente: basta apprendere in pochi minuti i principali tipi di interazione tra i blocchi logici (condizioni di transizione, ciclo, ecc.) e poi aumentare gradualmente la complessità dei programmi. Naturalmente, sono disponibili anche progetti didattici già pronti per decine di modelli di robot diversi, e se si desidera, nelle comunità online si possono trovare migliaia di programmi interessanti.
Esempio di programma nell'app per iPad
Gli utenti avanzati possono installare LabVIEW o RobotC: il "cervello" di LEGO MINDSTORMS Education EV3 è totalmente compatibile con questi pacchetti. Sfortunatamente, non sarà possibile esportare progetti vecchi per NXT senza una conversione aggiuntiva.
Da un punto di vista educativo, presenta un interesse molto maggiore . Essa consente di mantenere diari elettronici per gli studenti, grazie ai quali l'insegnante può valutare i progressi di un singolo studente dalla propria versione dell'app. Inoltre, è possibile utilizzare non solo i materiali didattici incorporati nel software (ce ne sono moltissimi), ma anche creare i propri attraverso l'editor di contenuti integrato.
Video didattici su come utilizzare l'editor di contenuti EV3
Inoltre, nella versione desktop c'è uno strumento di registrazione dei dati con la possibilità di programmare aree del grafico in base a valori soglia. Ciò significa che ora l'insegnante può facilmente dimostrare il funzionamento delle tecnologie moderne nel contesto della smart home, per esempio.
Il microcomputer EV3 raccoglierà dati dai sensori in tempo reale e, a seconda della temperatura, attiverà un programma piuttosto che un altro. A temperature elevate si attiva la ventola, a temperature basse il riscaldatore. Gli studenti potranno registrare e analizzare i dati, perfezionando il modello.
Registrazione dei dati
L'apertura del firmware del «mattoncino intelligente» ha già avuto il suo impatto: ci sono alternative che supportano la maggior parte dei linguaggi di programmazione più diffusi (decine). In sostanza, l'uso dell'EV3 può essere «agganciato» a qualsiasi progetto educativo legato alla programmazione, poiché poco è così soddisfacente come vedere il funzionamento dei propri algoritmi «in hardware».
Molti temono che il prezzo possa essere un ostacolo in questa storia. Infatti, per il Kit Base si dovranno spendere 29 900 rubli, più altri 2 500 per la ricarica. Tuttavia, in questo importo sono inclusi i componenti e l'elettronica per un lavoro confortevole di due studenti, oltre a un software di base completo con 48 lezioni pronte (che da gennaio 2016 è completamente gratuito sia per privati che per organizzazioni). Certamente, attrezzature aggiuntive e set di attività possono aumentare il costo, ma entro limiti ragionevoli. Ad esempio, un kit per 8 studenti, comprendente set base e risorse LME EV3, caricatori, software e , costerà 174 900. Piuttosto accettabile per l'allestimento, ad esempio, di un club scolastico.
Sì, è decisamente più costoso rispetto a semplici piattaforme simili ad Arduino. Ma anche le possibilità e il livello di coinvolgimento sono molto più elevati. Il programma educativo basato su EV3 può essere tranquillamente pianificato per tutto il ciclo della scuola secondaria e oltre. Inoltre, se utilizzato in modo adeguato, LEGO MINDSTORMS Education EV3 semplicemente «sopravviverà» a diversi kit semplici grazie alla qualità meccanica, alla facile sostituibilità e alla disponibilità dei componenti (nella mia esperienza, solo un cavo RJ-12 ha necessitato di sostituzione in un NXT di 10 anni).
Alla fine vediamo un progetto quasi open source, sostenuto da una gigantesca azienda con tutti i bonus del caso: un lungo ciclo di vita, disponibilità di pezzi di ricambio e accessori, guide ufficiali e amatoriali, e una comunità attiva. Mindstorms è diventato praticamente uno standard nelle classi educative occidentali di robotica per bambini, ed è davvero entusiasmante pensare alla sua ampia diffusione anche in Russia.
Scelta del percorso
Ma ora arriviamo al punto. A differenza dei kit WeDo 2.0, l'EV3 è orientato alle scuole superiori, quindi rivolto a bambini più grandi per i quali la scelta della futura professione è già un tema serio.
Utilizzando l'EV3, ogni studente potrà sfruttare attivamente le potenzialità che la natura, l'educazione e il processo di apprendimento hanno innestato in lui.
Un matematico di natura seguirà con attenzione la telemetria dei sensori, osservando come viene registrata la distanza percorsa dal robot, l'angolo di deviazione e così via.
Un futuro informatico, ovviamente, si immergerà nella programmazione del robot, analizzando gli algoritmi che ne governano il movimento. E sicuramente creerà i propri algoritmi, non previsti dalle istruzioni standard.
Un bambino appassionato di fisica potrà utilizzare il robot per condurre esperimenti pratici, dato che non ci sono problemi con i sensori dei kit, così come nessun problema di fantasia del bambino.
In sintesi, qualunque siano gli interessi e le materie preferite del bambino a scuola, l'apprendimento con i kit MINDSTORMS EV3 permetterà di evidenziarli con maggiore chiarezza e di concentrarsi sul loro sviluppo in futuro.
Nella vita
Attualmente, le soluzioni dell'azienda sono già utilizzate dagli studenti per realizzare progetti interessanti, sia nell'ambito di vari concorsi che per la crescita generale. Di alcuni di essi hanno parlato i media quest'anno.
Gli studenti di Astrakhan, Ruslan Kazimov e Mikhail Gladyshev, hanno sviluppato presso il parco tecnologico regionale un robot allenatore per la riabilitazione delle articolazioni delle mani.
foto — rg.ru
Gli studenti di ottava classe hanno impiegato poco meno di due mesi per lo sviluppo del simulatore. Hanno presentato il loro progetto nella fase regionale del IX Concorso Nazionale di Progetti Scientifico-Innovativi nel Sud Federale, dove hanno ottenuto il secondo posto. In futuro intendono creare un prototipo industriale – per ora, i programmatori offrono solo un prototipo realizzato con un kit educativo di robotica LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Il dispositivo replica i movimenti eseguiti dal medico: le articolazioni iniziano a funzionare, ripristinando così la mobilità non solo delle stesse, ma anche di gruppi muscolari. Attualmente i dispositivi sono connessi tramite Bluetooth e in futuro potrebbero interagire tramite internet o Wi-Fi.
Ci sono analoghi di questo dispositivo sul mercato, tuttavia l'apparecchio di Astrachan può funzionare contemporaneamente con le articolazioni della spalla, del polso e del gomito. Inoltre, è portatile e funziona a batteria. È anche prevista la possibilità di gestione remota, ovvero il paziente può allenarsi senza dover uscire di casa.
Alla World Robotics Olympiad del 2015 (WRO 2015), la squadra russa DRL di San Pietroburgo ha ricevuto un premio speciale per la creatività dalla società LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
La squadra russa DRL ha presentato il progetto CaveBot. I ragazzi di San Pietroburgo, sotto la guida dell'allenatore Sergey Filippov, hanno creato un robot esploratore unico per la scoperta di aree inesplorate nelle grotte. Lo sviluppo interessa diverse aree scientifiche, poiché il robot unico rende possibile l'esecuzione di compiti di diversa complessità.
La squadra ha costruito un robot arrampicatore, equipaggiato con vari sensori, per scoprire oggetti al fine di successivi studi. I dati raccolti possono essere trasformati in modelli 3D al computer.
E il tredicenne Shubham Banerjee ha creato Braille da pezzi LEGO nell'ambito di un progetto scientifico scolastico. In seguito, con il supporto della sua famiglia, è stata creata una startup per il lancio dell'invenzione, che ha ricevuto sostegno finanziario dalla società tecnica Intel.
(Foto: Marcio Jose Sanchez, AP)
L'idea di creare una stampante è venuta a Shubham dopo aver esplorato il Braille su Internet. Comprendendo che le stampanti per la stampa a rilievo costano da 2000 dollari e oltre, lo studente ha deciso di realizzare una versione più economica.
Poco dopo l'invenzione, i bambini non vedenti e i loro genitori iniziarono a contattare Shubham con un'unica richiesta: realizzare una stampante Braille economica, promettendo di "acquistarla direttamente dallo scaffale".
Come potete vedere, l'uso di MINDSTORMS Education EV3 nel processo educativo consente agli studenti di dare libero sfogo alla loro fantasia, creando continuamente nuovi meccanismi che non solo aiutano a realizzare idee o a condurre esperimenti in modo visivo, ma anche a cominciare a orientarsi sulla propria futura professione.
Se avete domande sull'uso di queste soluzioni nel processo educativo (o sui prodotti stessi), scrivetele nei commenti.
Fonte: habr.com
