LEGO MINDSTORMS Education EV3 i yrkesveiledning

bilde — roboconstructor.ru

En kjent fabel forteller at da en ung mor med barnet sitt henvendte seg til vismannen og spurte i hvilken alder hun burde begynne med oppdragelse, svarte den gamle mannen at hun var for sent ute med så mange år som barnet allerede hadde. Situasjonen er ganske lik når det gjelder valg av fremtidig yrke. Det er vanskelig å forvente at et spedbarn skal være klar over sine tilbøyeligheter og interesser, men allerede i ungdomsskolen begynner det med forskjellige spesialiseringer, og innen den tid ville det være bra å vite hvilken retning det er lurt å gå for det voksende barnet. Men én ting vet vi allerede med stor sikkerhet – i løpet av de nærmeste tiårene vil mellom 30 og 80 % av yrkene bli fullstendig automatisert.

Robotikk, kybernetikk, forståelse av algoritmer – det er sett med ferdigheter som sannsynligvis vil sikre at mennesker ikke står overfor så dystre utsikter. Selvfølgelig vil trolig konseptet med en ukondisjonert grunninntekt utvikle seg parallelt med erstatningen av arbeidskraft med roboter, men det er usannsynlig at du vil ønske et slikt fremtid for barnet ditt.

Det finnes mange måter å raskt vise en ung og interessert publikum grunnleggende programmering og robotikk på. Alle disse er rimelige, relativt enkle å lære, og gir en forståelse for grunnleggende algoritmer og konsepter i kybernetiske enheter allerede etter noen timer. Men i klasserommene kan man enkelt støte på noen av begrensningene ved disse plattformene – begrenset slitestyrke (og for å være ærlig – også 'idiotsikkerhet') av brettene, og programvaren har ikke alltid vennlige grensesnitt for 11-12-åringer, slik at 'spill'-elementet er relativt lite.

Med alle disse manglene har den mest kjente produsenten av utviklingssett, LEGO Education, kjempet i mer enn tjue år. Det handler selvfølgelig om MINDSTORMS Education EV3-plattformen. Fra de tidlige modellene Mindstorms RCX på 90-tallet til det mest moderne MINDSTORMS Education EV3-systemet, har prinsippet bak plattformen vært uendret. I bunnen ligger en «intelligent murstein», en mikrokontroller med skjerm og input/output-porter, til hvilken alle de andre komponentene kobles. Som i ethvert robotikk-system er periferiutstyret delt opp i sensorer og aktuatorer. Ved hjelp av sensorer oppfatter roboten omverdenen, mens aktuatorene reagerer på denne basert på det programmerte oppsettet. Komponentene på plattformen kobles sammen med enkle kabler uten lodding, og de mekaniske strukturene er bare begrenset av styrken til plastdelene og fantasien til konstruktørene.

I forrige innlegg gikk vi gjennom mulighetene for slike løsninger generelt, og nå vil vi fokusere spesifikt på LEGO MINDSTORMS Education EV3.

EV3

LEGO MINDSTORMS Education EV3 er kompatibel med Lego Technic-deler. Dette betyr at plattformen kan brukes til å lage de mest varierte og til og med utrolige konstruksjonene, fra enkle «biler» og «robotarmer» til komplekse transportbånd eller til og med «løsere» av Rubiks kube. Nesten alle Lego Technic-sett kan bli en kilde til deler for prosjekter, og det vil også ikke være noen problemer med å erstatte skadede reservedeler. Ja, de ser ikke så robuste ut som den gamle sovjetiske aluminiumsbyggeleken, men i praksis viser de seg å være enda sterkere enn metallprodukter. I hvert fall har jeg i min samling, som startet i 1993, fortsatt ikke oppdaget noen defekte deler.

I den grunnleggende utdanningspakken for MINDSTORMS Education EV3 finnes det 541 Lego Technic-deler. Man kan kjøpe flere spesialiserte ressurssett som 45560 (eller den eldre 9648, som ble produsert for NXT), eller bare et stort byggesett som 42043 (2800 deler) eller 42055 (nesten 4000 deler), og etter å ha lekt med hovedmodellen, bruke delene til «mursteiner» for kybernetiske eksperimenter. Når man regner på delene, vinner Lego her stort mot andre sett – bare 3-5 rubler per stykk.

Men hvis noen har beholdt en gammel samling som inkluderer titusenvis av deler, trenger man absolutt ikke å bekymre seg for ressurser.

Skjermbilde fra Brickset-tjenesten (en interaktiv database for eiere av Lego-sett, som gjør det mulig å samle diverse statistikk) av forfatteren

Dette gjelder imidlertid kun «passive» elementer som bjelker, hjul eller koblingspinner. Sensorer og effektorer er selvfølgelig mye dyrere, men i basiskitene er det mer enn nok av dem. Mindstorms EV3 leveres med tre motorer (to større og kraftigere og en kompakt servo), et par berøringssensorer (som er en form for «smarte» knapper), ultrasoniske, gyroskopiske og fargesensorer (som også kan fungere i belysningssensor-modus). I tillegg er det bevart kompatibilitet med sensorer fra den forrige generasjonen Lego Education-roboter – Mindstorms NXT (inkludert for eksempel støy nivå-sensoren).

Men la oss gå tilbake til «den smarte klossen», hjertet av systemet. Det er faktisk en ganske tung og volumøs «kloss» utstyrt med en monokrom LCD-skjerm på 178x128 (den viser ikke bare menyen, men også ulike tilpassede bilder under drift) med justerbar bakgrunnsbelysning. Via kabler med standard RJ-12-kontakt kan sensorer og effektorer kobles til (opp til fire enheter av hver type), det er en slot for microSDHC og en USB-port.

Den sistnevnte kan brukes både til å laste opp egne programmer og til å oppdatere fastvaren. Selvfølgelig er mikrokontrolleren også utstyrt med trådløse grensesnitt, så man kan laste opp programmer via Wi-Fi (et eksternt modul kreves) eller Bluetooth (innebygd). Hvis vi bygger en robot med fjernkontroll, kan vi «styre» den via trådløs forbindelse med en smarttelefon eller nettbrett.

Inni den «smarte mursteinen» bor en 300 MHz ARM-prosessor, 16 megabyte med permanent minne (og her er kortet nyttig) og 64 megabyte med RAM. Uansett hvor beskjedne disse tallene måtte virke, er makten mer enn tilstrekkelig for å utføre selv de mest komplekse algoritmene som du eller til og med et barn kan skrive under læringsprosessen. Og sammenlignet med den 48 MHz prosessoren fra den forrige generasjonen NXT, som nylig har blitt ti år gammel, er fremgangen enda mer bemerkelsesverdig. Likevel kan man ikke si at NXT på noen måte betydelig forsinket seg i løsningene av standardoppgaver.

I tillegg har det kommet en fjerde port for motorer, noe som i seg selv er en betydelig utvidelse av funksjonaliteten som rettferdiggjør oppgraderingen.

USB-porten støtter nå host-modus, noe som ikke bare gjør det mulig å koble til en Wi-Fi-adapter, men også å koble flere EV3-enheter sammen til én kompleks robot. Selvsagt gjør dette også at oppgave-nivået blir ganske «vanskelig».

Endelig har MINDSTORMS Education EV3 fått støtte for batteridrift. I stedet for seks AA-batterier kan man installere det medfølgende litium-ion-batteriet på litt over to ampere-timer. Selvfølgelig er det ingen som forbyr å bruke AA-batterier av typen eneloop, men det målet å ta dem ut for opplading gjør brukervennligheten under gjennomsnittet. Prisen på et par sett med eneloop med lader er også helt sammenlignbar med det originale batteriet.

Åh ja, det har kommet en stor og høylytt høyttaler som nå ikke bare kan spille retro-melodier fra 8-bits æra, men også spille mer behagelige lyder.

La oss nå ta en titt på effektorene fra basissettet. To av dem er kraftige motorer, parallelt med de som allerede har blitt brukt i NXT, langstrakte enheter som utvikler et betydelig dreiemoment takket være den interne reduksjonsutvekslingen.

Det er en mekanisk friksjonssperre for motorene, som begynner å slure hvis friksjonen er større enn beregnet, slik at motoren er ganske vanskelig å brenne ut.
Det finnes en vinkelposisjonsensor med oppløsning på én grad (motoren rapporterer til kontrolleren hvor mye akselen er dreid) og muligheten til å synkronisere rotasjonen av alle tilkoblede motorer nøyaktig.

Den tredje, såkalte M-servomotoren (middelstor motor) gir tre ganger mindre dreiemoment, men til gjengjeld er hastigheten nesten dobbelt så høy.

Når det gjelder sensorer, er det ikke nødvendig å begrense seg til de som tilbys av LEGO Education (selv om de er mer enn tilstrekkelige for ethvert utdanningsprosjekt); flere tredjeparts selskaper produserer kompatible, og til tider ganske eksotiske sensorer. Den opprinnelige koden for fastvaren og de tekniske spesifikasjonene er helt er åpne.

Programvare

Vi har snakket mye om maskinvaren, men det er egentlig ikke bare den som bestemmer effektiviteten av robotikkundervisningen. Det er først og fremst tilstedeværelsen av virkelig intuitiv programvare på mange plattformer (Mac, PC, mobile enheter) som ferdige læreplaner gjør LEGO MINDSTORMS Education EV3 til plattformen av valg i undervisningen, spesielt i overgangen mellom barneskolen og ungdomsskolen, for barn rundt ti år gamle.

Velkomstsiden i appen på iPad

Visualiseringen av algoritmer i LEGO MINDSTORMS Education EV3 sin innebygde programvare er helt på topp – det er nok å mestre de grunnleggende interaksjonene mellom de logiske blokkene (betingelser for overgang, sløyfer osv.) på bare noen minutter, og deretter gradvis øke kompleksiteten i programmene. Selvfølgelig er det også ferdige opplæringsprosjekter for dusinvis av forskjellige robotmodeller, og hvis ønskelig kan man finne tusenvis av interessante programmer i nettfellesskap.

Eksempel på programmet i appen for iPad

Viderekomne brukere kan installere LabVIEW eller RobotC – 'hjernen' i LEGO MINDSTORMS Education EV3 er helt kompatibel med disse pakkene. Dessverre kan man ikke eksportere gamle prosjekter for NXT uten ekstra konvertering.

Fra et utdanningsperspektiv er versjonen av programvaren for stasjonære datamaskiner. Den gjør det mulig å føre elektroniske notatbøker for studentene, noe som gir læreren mulighet til å vurdere fremgangen til den enkelte studenten fra sin versjon av appen og følge med på utviklingen. I tillegg kan man ikke bare bruke de tilgjengelige undervisningsmaterialene i programvaren (som det er mange av), men også ved hjelp av den innebygde innholdredigereren lage eget materiale.

Opplæringsvideoer for bruk av innholdredigereren EV3

I tillegg har desktop-versjonen et verktøy for datainnsamling med mulighet for å programmere grafområder avhengig av terskelverdier. Det vil si at læreren nå enkelt kan demonstrere moderne teknologi innen smarte hjem, for eksempel.

Mikrodatamaskinen EV3 vil samle data fra sensorer i sanntid og avhengig av den termiske bakgrunnen, starte programmer for modellen. Ved høy temperatur slår viften seg på, ved lav temperatur varmeovnen. Eleven vil kunne registrere og analysere dataene mens de forbedrer modellen.

Datainnsamling

Åpenheten til firmware for den "smarte mursteinen" har allerede hatt sin innvirkning: det finnes alternative alternativer med støtte for de fleste populære programmeringsspråk (titusener av dem). Generelt kan bruken av EV3 knyttes til ethvert utdanningsprosjekt knyttet til programmering, siden det er få ting som gir større glede enn å se egne algoritmer "i maskinen".

Mange forventer at prisen kan bli en hindring i dette prosjektet. Det er faktisk slik at man må betale 29 900 rubler for basiskitet, i tillegg til 2 500 rubler for lading. Men i denne summen er det inkludert deler og elektronikk for komfortabel arbeidsflyt for to elever, samt fullverdig grunnleggende programvare med 48 ferdige økter (som fra januar 2016 er helt gratis, både for enkeltpersoner og organisasjoner). Selvfølgelig, ekstra utstyr og oppgavesett kan øke kostnadene, men innen rimelighetens grenser. Så et sett for 8 elever, som inkluderer grunnleggende og ressurssett LME EV3, ladere, programvare og et ekstra oppgavesett "Ingeniørprosjekter", vil koste 174 900 rubler. Dette er helt akseptabelt for å utstyre for eksempel en skoleklubb.

Ja, dette er merkbart dyrere enn enkle Arduino-lignende plattformer. Men mulighetene, samt nivået av involvering, er mye høyere. Læreplanen basert på EV3 kan trygt planlegges for hele ungdomsskolen og videre. Dessuten, ved rimelig bruk vil LEGO MINDSTORMS Education EV3 enkelt "overleve" flere enkle sett på grunn av mekaniske kvaliteter, enkel utbytting og tilgjengelighet av deler (i min erfaring krevde kun én RJ-12-kabel utskifting i en 10 år gammel NXT).

Som vi ser, er dette i praksis et nesten åpen kildekode-prosjekt, støttet av et gigantisk selskap med alle de nødvendige fordelene som følger med – lang levetid, tilgjengelighet av reservedeler og utvidelser, offisielle og uformelle guider, samt et utviklet fellesskap. Mindstorms har blitt nærmest en standard i vestlige utdanningsklasserom for barn innen robotteknologi, og det ville være virkelig flott å se en bredere distribusjon av det i Russland.

Valg av vei

Nå til hovedpoenget. I motsetning til WeDo 2.0-settene er EV3 rettet mot ungdomsskolen og dermed eldre barn, som allerede har et mer alvorlig forhold til valg av fremtidig yrke.

Ved å bruke EV3, vil hver enkelt elev kunne utvikle de evnene som er forankret i dem av natur, oppdragelse og læringsprosess.

En medfødt matematiker vil nøye følge med på datamaskinens telemetri, hvordan avstanden roboten har tilbakelagt blir registrert, hvordan vinkelen den avviker fra blir målt, og så videre.

En framtidig IT-spesialist vil naturligvis dykke inn i programmeringen av roboten, analysere algoritmene som styrer bevegelsene dens, og uten tvil lage sine egne, utenom det som er angitt i standardinstruksjonen.

Et barn som er begeistret for fysikk, vil kunne bruke roboten til å utføre visuelle eksperimenter, spesielt siden settene ikke har problemer med sensorer, og barnet ikke har noe problem med fantasien.

Generelt, uansett hvilke interesser og favorittfag barnet måtte ha på skolen, vil læring med MINDSTORMS EV3-settene tydeligere fremheve dem og fokusere på videre utvikling.

I livet

For øyeblikket brukes selskapets løsninger av studenter til å skape interessante prosjekter, både i forskjellige konkurranser og for generell utvikling. Flere av disse har blitt omtalt i media i år.

Skoleelevene Ruslan Kazimov og Mikhail Gladyshev fra Astrakhan har utviklet en robot-trener for rehabilitering av håndleddene, basert på den regionale teknologiparken.

foto — rg.ru

Utviklingen av simulatoren tok guttene i åttende klasse litt mindre enn to måneder. De presenterte prosjektet sitt på den regionale etappen av den IX Allrussiske konkurransen for vitenskapelige og innovative prosjekter i Sør-Federalområdet, der de ble nummer to. Senere planlegger de å lage et industrielt eksemplar – foreløpig tilbyr utviklerne kun en prototype laget av det pedagogiske robotikksettet LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Enheten gjentar bevegelsene utført av legen – leddene begynner å fungere, noe som gjenoppretter bevegeligheten til både leddene og muskelgruppene. Foreløpig er enhetene tilkoblet via Bluetooth, men i fremtiden vil de kunne samhandle via internett eller Wi-Fi.

Det finnes analoge enheter på markedet, men den astrakhaniske enheten kan fungere samtidig med skulder-, håndledd- og albueledd. I tillegg er den bærbar og drives av et batteri. Det finnes også mulighet for fjernstyring, slik at pasienten kan trene hjemme.

Under Verdensmesterskapet i robotikk 2015 (WRO 2015) ble det russiske laget DRL fra St. Petersburg tildelt en spesialpris for kreativitet fra LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).

Det russiske laget DRL presenterte prosjektet CaveBot. Guttene fra St. Petersburg, ledet av trener Sergey Filippov, skapte en unik forskningsrobot for å oppdage ukjente områder i huler. Utviklingen berører ulike vitenskapelige områder, da den unike roboten muliggjør utførelsen av oppgaver med varierende kompleksitet.

Laget bygde en klatrerobot utstyrt med forskjellige sensorer for å oppdage gjenstander for videre forskning. De innsamlede dataene kan omdannes til 3D-modeller på datamaskinen.

Den 13 år gamle Shubham Banerjee laget en Braille-printer av LEGO-deler som en del av et skoleprosjekt. Senere, med hjelp fra familien sin, ble en oppstart for å lansere oppfinnelsen opprettet, og fikk økonomisk støtte fra det tekniske selskapet Intel.

(Foto: Marcio Jose Sanchez, AP)

Idéen om å lage en printer kom til Shubham etter å ha forsket på Braille på internett. Etter å ha innsett at printere for blindeskrift kostet fra 2000 dollar og oppover, bestemte eleven seg for å lage en rimeligere versjon.

Kort tid etter oppfinnelsen begynte blinde barn og deres foreldre å kontakte Shubham med et eneste ønske — å lage en rimelig priset Braille-printer, med lovnad om å "kjøpe den rett fra hyllen".

Som du ser, gjør bruken av MINDSTORMS Education EV3 i læringsprosessen at elevene kan slippe løs fantasien, og lage stadig nye mekanismer som ikke bare bidrar til å realisere ideer eller gjennomføre eksperimenter, men også til å begynne å bestemme seg for fremtidig yrke.

Hvis du har spørsmål om bruken av disse løsningene i utdanningsprosessen (eller om selve produktene) — skriv dem i kommentarene.

Kilde: habr.com