immagine — roboconstructor.ru
Una famosa parabola narra che, quando una giovane madre si rivolse al saggio con il suo bambino in braccio e chiese a che età dovesse iniziare l'educazione del suo piccolo, il saggio rispose che era in ritardo di tanti anni quanti erano gli anni del bambino. La situazione con la scelta della futura professione è abbastanza simile. È difficile aspettarsi che un neonato sia consapevole dei propri talenti e interessi, ma già nella scuola media iniziano le varie specializzazioni, e a quel punto sarebbe bene sapere in quale direzione orientarsi per il proprio ragazzo. Tuttavia, una cosa la sappiamo quasi per certa: nei prossimi decenni, dal 30 all'80% delle professioni verranno completamente automatizzate.
Robotica, cibernetica, comprensione degli algoritmi: sono le competenze con cui, molto probabilmente, a un individuo non verranno prospettate prospettive così incerte. Certo, probabilmente insieme alla sostituzione della forza lavoro con i robot si svilupperà anche il concetto di reddito di base incondizionato, ma difficilmente desideri un futuro simile per tuo figlio.
Ci sono molti modi per presentare rapidamente le basi della programmazione e della robotica a un pubblico giovane e interessato. Tutti questi metodi sono economici, relativamente semplici da apprendere e forniscono, già dopo poche ore, una comprensione dei fondamenti degli algoritmi e delle concezioni dei dispositivi cibernetici. Tuttavia, nelle aule scolastiche è facile imbattersi anche nei difetti di queste piattaforme: la limitata resistenza all'usura (e non nascondiamocelo, anche la "resistenza all'ignoranza") delle schede prototipiche, interfacce software non particolarmente amichevoli per bambini di 11-12 anni e un elemento di "gioco" relativamente ridotto.
Con tutti questi difetti, si combatte già da oltre vent'anni nella più nota azienda produttrice di kit educativi, LEGO Education. Si parla, ovviamente, della piattaforma MINDSTORMS Education EV3. A partire dai primi modelli degli anni '90, come il Mindstorms RCX, fino all'ultimo complesso MINDSTORMS Education EV3, il principio di progettazione della piattaforma è rimasto invariato. Al centro c'è il "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 robotico, i dispositivi periferici si suddividono in sensori ed effetti. Grazie ai sensori, il robot percepisce il mondo circostante, mentre grazie agli effetti risponde secondo il programma predefinito. I componenti della piattaforma si collegano facilmente tramite cavi, senza saldature, e le strutture meccaniche sono limitate solo dalla resistenza dei pezzi in plastica e dalla fantasia dei progettisti.
abbiamo esaminato le possibilità di tali soluzioni in generale, ora vogliamo soffermarci più dettagliatamente sulla LEGO MINDSTORMS Education EV3.
EV3
LEGO MINDSTORMS Education EV3 è compatibile con i pezzi Lego Technic. Questo significa che la piattaforma può essere utilizzata per costruire una varietà di strutture, da semplici "macchinine" e "bracci robotici" a complessi nastri trasportatori o persino "risolutori" di cubi di Rubik. In effetti, qualsiasi set Lego Technic può diventare una fonte di pezzi per i progetti, e non ci saranno problemi con la sostituzione dei pezzi danneggiati. Sì, non sembrano così robusti come il vecchio costruttore in alluminio sovietico, ma si dimostrano persino più resistenti dei materiali metallici. Almeno nella mia collezione, iniziata nel 1993, non ho ancora trovato un pezzo rotto.
Il kit base educativo MINDSTORMS Education EV3 include 541 pezzi Lego Technic. È possibile acquistare kit di risorse specializzati come (o il più vecchio 9648, prodotto per NXT), oppure semplicemente un grande set di costruzioni come (2800 pezzi) o (quasi 4000 pezzi), e, dopo aver giocato a lungo con il modello principale, poterlo ridurre a «mattoncini» per esperimenti cibernetici. Considerando il prezzo per pezzo, qui Lego supera di gran lunga gli altri set – solo 3-5 rubli per ogni pezzo.
E se qualcuno ha ancora una vecchia collezione che include decine di migliaia di pezzi, non ci sarà nemmeno motivo di preoccuparsi delle risorse.
Screenshot dal servizio Brickset (una base di dati interattiva per i possessori di set Lego, che consente di raccogliere diverse statistiche) dell'autore
Tuttavia, questo riguarda solo gli elementi "passivi" come travi, ruote o pin di collegamento. I sensori e gli attuatori, ovviamente, sono significativamente più costosi, ma nel kit di base ce n'è più che abbastanza. Il Mindstorms EV3 viene fornito con tre motori (due più grandi e potenti e uno compatto), un paio di sensori di contatto (una sorta di "pulsanti intelligenti"), un sensore ultrasonico, un sensore giroscopico e un sensore di colore (quest'ultimo può anche funzionare in modalità di sensore di luminosità). Inoltre, è mantenuta la compatibilità con i sensori della generazione precedente di robot Lego Education – Mindstorms NXT (tra cui, ad esempio, un sensore di livello sonoro).
Tornando al "mattoncino intelligente", il cuore del sistema. Si tratta di un "mattoncino" piuttosto pesante e voluminoso, dotato di uno schermo LCD monocromatico 178x128 (che mostra non solo il menu, ma anche varie immagini personalizzate durante il funzionamento) con retroilluminazione a colore variabile. I sensori e gli attuatori (fino a quattro dispositivi di ogni tipo) si collegano ad esso tramite cavi con connettore standard RJ-12, e c'è uno slot per microSDHC e una porta USB.
L'ultimo può essere utilizzato sia per caricare software che per aggiornare il firmware. Tuttavia, non manca di microcontrollori e interfacce wireless; se desiderato, è possibile caricare i programmi tramite Wi-Fi (è necessario un modulo esterno) o Bluetooth (integrato). Inoltre, se stiamo assemblando un robot a distanza, è possibile controllarlo utilizzando una connessione wireless con uno smartphone o un tablet.
All'interno del "mattoncino intelligente" si trova un processore ARM da 300 MHz, 16 megabyte di memoria permanente (ed ecco perché è utile una scheda) e 64 megabyte di RAM. Per quanto queste cifre possano sembrare modeste, la potenza è più che sufficiente per eseguire anche gli algoritmi più complessi che tu o, soprattutto, un bambino nel processo di apprendimento potete scrivere. Se lo confrontiamo con il processore da 48 MHz della precedente generazione NXT, che ha recentemente compiuto dieci anni, il progresso è piuttosto evidente. Tuttavia, non si può dire che l'NXT fosse particolarmente lento nell'affrontare compiti standard.
In aggiunta, è stato aggiunto un quarto porto per i motori, un ampliamento funzionale significativo che giustifica l'upgrade.
La porta USB ora supporta la modalità host, permettendo non solo di collegare un adattatore Wi-Fi, ma anche di unire più unità EV3 in un unico robot complesso. Tuttavia, il livello delle sfide diventa assolutamente "non per bambini".
Infine, MINDSTORMS Education EV3 ha ora il supporto per l'alimentazione a batteria. Invece di sei batterie AA, è possibile installare la batteria al litio fornita, che ha una capacità di oltre due ampere-ora. Certo, non è vietato utilizzare batterie tipo eneloop, ma la necessità di rimuoverle per la ricarica riduce l'usabilità. Inoltre, il prezzo di un paio di set eneloop con caricabatterie è abbastanza competitivo rispetto alla batteria originale.
Oh, è arrivato un grande e potente altoparlante che adesso può riprodurre non solo melodie retro dell'era 8-bit, ma anche suoni più gradevoli.
Ora guardiamo gli attuatori del set base. Due di essi sono potenti motori, simili a quelli già utilizzati nel NXT, dispositivi allungati che sviluppano un notevole momento torsionale grazie a un interno riduttore.
In caso di blocco del motore, è previsto un freno meccanico che inizia a slittare se l'attrito supera i valori di progetto, rendendo quindi difficile il surriscaldamento del motore.
È presente un sensore di angolo di rotazione con una risoluzione di un grado (il motore segnala al controller di quanto è attualmente ruotato il suo asse) e la possibilità di sincronizzare con precisione la rotazione di tutti i motori collegati.
Il terzo, noto come servo M (un motore di dimensioni medie), fornisce tre volte meno momento torsionale, ma la sua velocità di rotazione è quasi il doppio.
Per quanto riguarda i sensori, non è affatto necessario limitarsi a quelli proposti da LEGO Education (anche se ce ne sono in abbondanza per qualsiasi progetto educativo), poiché 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 dell'hardware, ma in realtà non è solo questo a determinare l'efficacia delle lezioni di robotica. È la presenza di un software davvero intuitivo su molteplici piattaforme (Mac, PC, dispositivi mobili) che fa di LEGO MINDSTORMS Education EV3 la piattaforma ideale per l'insegnamento, specialmente al confine tra la scuola primaria e secondaria, per i bambini di circa dieci anni.
Schermata di benvenuto dell'app su iPad
La visualizzazione degli algoritmi nel software nativo di LEGO MINDSTORMS Education EV3 è semplicemente eccezionale: bastano pochi minuti per apprendere i principali tipi di interazione tra i blocchi logici (condizioni di transizione, cicli, ecc.) e successivamente aumentare gradualmente la complessità dei programmi. Naturalmente, ci sono anche progetti didattici pronti per decine di diversi modelli di robot, e se si desidera, nelle comunità online è possibile trovare migliaia di programmi interessanti.
Esempio di programma nell'app per iPad
Gli utenti più esperti possono installare LabVIEW o RobotC: i "cervelli" del LEGO MINDSTORMS Education EV3 sono completamente compatibili con questi pacchetti. Purtroppo, non sarà possibile esportare vecchi progetti per NXT senza una conversione aggiuntiva.
Dal punto di vista educativo, risulta molto più interessante . Essa consente di gestire i diari elettronici degli studenti, grazie ai quali l'insegnante può valutare i progressi di ciascun studente dalla propria versione dell'app. Inoltre, non solo è possibile utilizzare i materiali didattici preesistenti (che sono numerosi), ma anche creare i propri attraverso l'editor di contenuti integrato.
Video tutorial sull'uso dell'editor di contenuti EV3
Inoltre, nella versione desktop è presente un'utilità per la registrazione dei dati con la possibilità di programmare le aree del grafico in base a soglie specifiche. In questo modo, l'insegnante può facilmente dimostrare il funzionamento delle tecnologie moderne nell'ambito della smart home, ad esempio.
Il microcomputer EV3 raccoglierà dati dai sensori in tempo reale e avvierà un programma del modello in base alla temperatura ambientale. A temperature elevate si attiva la ventola, mentre a temperature basse si accende 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 fatto la sua parte: esistono alternative che supportano la maggior parte dei linguaggi di programmazione più popolari (decine). In sostanza, l'uso dell'EV3 può essere integrato in qualsiasi progetto educativo legato alla programmazione, poiché nulla è così gratificante come vedere il funzionamento dei propri algoritmi 'nella realtà'.
Molti si aspettano che il prezzo possa essere un ostacolo in questa questione. In effetti, per il Pacchetto Base si dovranno spendere 29.900 rubli, a cui si aggiungono altri 2.500 per il caricabatterie. Tuttavia, in questo importo sono inclusi i componenti e l'elettronica per il lavoro confortevole di due studenti, oltre a un software di base completo con 48 lezioni pronte (che dal gennaio 2016 è completamente gratuito sia per i privati che per le organizzazioni). Certo, attrezzature aggiuntive e set di compiti possono aumentare i costi, ma rimangono comunque ragionevoli. Ad esempio, un set per 8 studenti, che comprende set di base e risorse LME EV3, caricabatterie, software e , costerà 174.900 rubli. Un prezzo comunque accettabile per dotare, ad esempio, un club scolastico.
Sì, è sicuramente più costoso rispetto a piattaforme simili ad Arduino. Tuttavia, anche le possibilità e il livello di coinvolgimento sono molto superiori. Il programma educativo basato su EV3 può essere pianificato con tranquillità per tutte le scuole medie e oltre. Inoltre, con un uso adeguato, LEGO MINDSTORMS Education EV3 può semplicemente «sopravvivere» a diversi kit semplici grazie alla sua qualità meccanica, alla facile sostituzione e alla disponibilità di pezzi (nella mia esperienza, solo un cavo RJ-12 ha richiesto sostituzione in 10 anni di utilizzo del NXT).
Di conseguenza, vediamo un progetto praticamente open source, supportato da un'azienda gigante con tutti i benefici previsti in situazioni simili: un lungo ciclo di vita, facilità di reperimento dei pezzi di ricambio e delle espansioni, guide ufficiali e amatoriali, e una comunità ben developpata. Mindstorms è diventato praticamente uno standard nelle classi educative occidentali di robotica per bambini, e sarebbe davvero fantastico vederne una diffusione ampia anche in Russia.
Scelta della strada
E ora arriviamo al punto principale. Diversamente dai set WeDo 2.0, l'EV3 è orientato verso la scuola media, quindi verso bambini più grandi, per i quali la questione della scelta della futura professione è già più seria.
Utilizzando l'EV3, ogni studente potrà esprimere attivamente le capacità innate che gli sono state trasmesse dalla natura, dall'educazione e dal processo di apprendimento.
Un matematico nato osserverà attentamente la telemetria dei sensori, monitorando come viene misurata la distanza percorsa dal robot, come viene registrato l'angolo di deviazione e altro ancora.
Un futuro esperto IT si immergerà nella programmazione del robot, analizzando gli algoritmi che governano il suo movimento. E non mancherà di creare i propri algoritmi, non previsti dalle istruzioni standard.
Un bambino appassionato di fisica potrà condurre esperimenti pratici con l'aiuto del robot, fortunatamente i set non hanno problemi con i sensori, così come il bambino non ha problemi con l'immaginazione.
In generale, qualunque siano gli interessi e le materie preferite di un bambino a scuola, l'apprendimento attraverso i kit MINDSTORMS EV3 consentirà di evidenziarli chiaramente e concentrarsi sul loro sviluppo futuro.
Nella vita
Al momento, le soluzioni dell'azienda sono già utilizzate dagli studenti per creare progetti interessanti, sia in ambiti di concorso che per lo sviluppo personale. Di alcuni di questi è stata parlato nei media quest'anno.
Gli studenti delle scuole di Astrakhan, Ruslan Kazimov e Mikhail Gladyshev, hanno sviluppato un robot per la riabilitazione delle articolazioni delle mani presso il parco tecnologico regionale.
foto — rg.ru
Gli studenti dell'ottava classe hanno impiegato poco meno di due mesi per sviluppare il dispositivo. Hanno presentato il loro progetto alla fase regionale del IX Concorso Nazionale di Progetti Scientifici e Innovativi nel Sud della Russia, dove si sono classificati secondi. In futuro, pianificano di creare un campione industriale – attualmente i sviluppatori offrono solo un prototipo realizzato con il kit di robotica educativa LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Il dispositivo replica i movimenti eseguiti dal medico – le articolazioni iniziano a funzionare, ripristinando così la mobilità non solo di esse ma anche dei gruppi muscolari. Attualmente, i dispositivi sono collegati tramite Bluetooth, ma in futuro interagiranno tramite internet o Wi-Fi.
Esistono dispositivi simili sul mercato, tuttavia il dispositivo di Astrakhan può funzionare contemporaneamente con le articolazioni della spalla, del polso e del gomito. Inoltre, è portatile e funziona a batteria. È anche possibile il controllo remoto, cioè il paziente può allenarsi senza uscire di casa.
Alla World Robotics Olympiad 2015 (WRO 2015), il team russo DRL di San Pietroburgo ha ricevuto un premio speciale per creatività da LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
Il team russo 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 scoprire aree inesplorate nelle caverne. Lo sviluppo tocca vari campi scientifici, poiché il robot unico consente di affrontare diversi compiti di varia complessità.
Il team ha costruito un robot arrampicatore dotato di vari sensori per identificare oggetti da studiare successivamente. I dati ottenuti possono essere trasformati in modelli 3D al computer.
E il tredicenne Shubham Banerjee ha creato Braille realizzato con parti LEGO nell'ambito di un progetto scientifico scolastico. Successivamente, con il coinvolgimento della sua famiglia, è stata avviata una startup per commercializzare l'invenzione, ottenendo supporto finanziario dalla corporation tecnologica Intel.
(Foto: Marcio Jose Sanchez, AP)
L'idea di creare una stampante è venuta a Shubham dopo aver ricercato il Braille online. Realizzando che le stampanti per la stampa in Braille costano da 2.000$ in su, lo studente ha deciso di fare una versione più economica.
Subito dopo l'invenzione, i bambini non vedenti e i loro genitori hanno iniziato a contattare Shubham con l'unica richiesta di realizzare una stampante Braille a basso costo, promettendo di "acquistarla direttamente dagli scaffali".
Come potete vedere, l'uso di MINDSTORMS Education EV3 durante l'apprendimento consente agli studenti di esprimere al massimo la loro fantasia, creando meccanismi sempre nuovi che non solo aiutano a realizzare idee o a condurre esperimenti in modo visivo, ma anche a iniziare a decidere il loro futuro professionale.
Se avete domande sull'utilizzo di queste soluzioni nel processo educativo (o sui prodotti stessi) — scrivetele nei commenti.
Fonte: habr.com
