obraz — roboconstructor.pl
Znana przypowieść głosi, że kiedy mędrca odwiedziła młoda matka z dzieckiem na rękach i zapytała, od którego wieku powinna zacząć wychowanie potomka, starzec odpowiedział, że spóźniła się o tyle lat, ile ma dziecko. Sytuacja związana z wyborem przyszłego powołania jest podobna. Trudno wymagać świadomości swoich skłonności i zainteresowań od niemowlęcia, jednak w gimnazjum zaczynają się różnorodne specjalizacje i do tego czasu warto by było już wiedzieć, w jakim kierunku ruszyć z dorastającym dzieckiem. Ale jedno wiemy prawie na pewno – w ciągu najbliższych dziesięcioleci od 30 do 80% zawodów zostanie całkowicie zautomatyzowanych.
Robotyka, cybernetyka, rozumienie algorytmów – to zestaw umiejętności, z którym najprawdopodobniej człowiek nie będzie miał tak niejasnych perspektyw. Oczywiście, prawdopodobnie równocześnie z zastępowaniem siły roboczej przez roboty, będzie rozwijać się koncepcja bezwarunkowego dochodu podstawowego, ale mało prawdopodobne, że chcesz dla swojego dziecka takiej przyszłości.
Istnieje wiele sposobów na szybkie zaprezentowanie młodej i zainteresowanej publiczności podstaw programowania oraz robotyki. Wszystkie są niedrogie, dość proste do opanowania i już po kilku godzinach dają zrozumienie podstaw algorytmów i koncepcji urządzeń cybernetycznych. Jednak w klasach naukowych łatwo napotkać też wady tych platform – ograniczoną odporność na zużycie (a co tu ukrywać – również „odporność na głupotę”) płytek prototypowych, oraz niezbyt przyjazne dla dzieci w wieku 11-12 lat interfejsy oprogramowania, w stosunku do relatywnie małego elementu „gry”.
Od ponad dwudziestu lat w najbardziej znanej firmie produkującej zestawy edukacyjne LEGO Education walczy się z wszystkimi tymi niedociągnięciami. Mowa oczywiście o platformie MINDSTORMS Education EV3. Zaczynając od wyprodukowanych na początku lat 90. Mindstorms RCX, a kończąc na najnowszym kompleksie MINDSTORMS Education EV3, zasada formowania platformy pozostaje niezmienna. W jej podstawie leży „inteligentny klocek” ("intelligent brick"), to mikrokomputer z ekranem i portami wejścia/wyjścia, do którego podłączane są wszystkie pozostałe komponenty. Jak w każdej systemie robotycznym, urządzenia peryferyjne dzieli się na czujniki i efektory. Dzięki czujnikom robot postrzega otaczający świat, a dzięki efektorom – reaguje na niego zgodnie z wbudowanym programem. Komponenty platformy łączą się ze sobą prostymi kablami bez lutowania, a konstrukcje mechaniczne ograniczone są jedynie trwałością plastikowych elementów i wyobraźnią konstruktorów.
rozważaliśmy możliwości takich rozwiązań w ogólnym ujęciu, teraz jednak chcemy szczegółowiej przyjrzeć się LEGO MINDSTORMS Education EV3.
EV3
LEGO MINDSTORMS Education EV3 jest kompatybilny z elementami Lego Technic. Oznacza to, że platformę można wykorzystać do tworzenia najróżniejszych, a nawet niesamowitych konstrukcji, od prostych „autek” i „robotycznych rąk” po skomplikowane taśmociągi czy nawet „rozwiązujące” kostki Rubika. W rzeczywistości każdy zestaw Lego Technic może stać się źródłem elementów do projektów, również nie będzie problemu z wymianą uszkodzonych części zapasowych. Tak, wyglądają one nieco mniej solidnie niż stary, radziecki aluminiowy zestaw, ale w praktyce okazują się nawet wytrzymalsze niż metalowe wyroby. Przynajmniej w mojej kolekcji, rozpoczętej w 1993 roku, jeszcze nie znalazła się żadna złamana część.
W podstawowym zestawie edukacyjnym MINDSTORMS Education EV3 znajduje się 541 elementów Lego Technic. Można dokupić zarówno specjalistyczne zestawy zasobów, jak (lub starszy 9648, produkowany jeszcze dla NXT), jak i po prostu duży zestaw klocków typu (2800 elementów) lub (prawie 4000 elementów), i, po zabawie z podstawowym modelem, wykorzystać go na „klocek” do cybernetycznych eksperymentów. W przeliczeniu na jeden klocek Lego, ten zestaw zdecydowanie przewyższa inne – zaledwie 3-5 rubli za sztukę.
A jeśli ktoś ma starą kolekcję, która zawiera dziesiątki tysięcy elementów, to nie musi się martwić o zasoby.
Zrzut ekranu z serwisu Brickset (interaktywna baza dla właścicieli zestawów Lego, pozwalająca zbierać różnorodne statystyki) autorstwa
Jednakże dotyczy to tylko «pasywnych» elementów, takich jak belki, koła czy łączniki. Czujniki i efekty są znacznie droższe, ale w podstawowym zestawie i tak jest ich więcej niż wystarczająco. Mindstorms EV3 jest dostarczany z trzema silnikami (dwa większe i mocniejsze oraz jeden kompaktowy serwomotor), parą czujników dotykowych (swego rodzaju «inteligentne» przyciski), czujnikiem ultradźwiękowym, żyroskopowym i kolorowym (może również działać w trybie czujnika światła). Dodatkowo zachowana została kompatybilność z czujnikami z poprzedniej generacji robotów Lego Education – Mindstorms NXT (należy do nich na przykład czujnik poziomu hałasu).
Wracając do «inteligentnej kostki», serca systemu. To naprawdę dość masywna i spora «kostka», wyposażona w monochromatyczny wyświetlacz LCD 178x128 (na którym wyświetlane jest nie tylko menu, ale także różne spersonalizowane obrazki w trakcie pracy) z możliwością zmiany koloru podświetlenia. Do niej podłączają się czujniki i efekty (do czterech urządzeń każdego typu) za pomocą przewodów ze standardowym złączem RJ-12, jest gniazdo na microSDHC oraz port USB.
Ostatni można wykorzystać do ładowania programów oraz do aktualizacji oprogramowania. Jednak mikrokontroler nie jest pozbawiony interfejsów bezprzewodowych; w razie potrzeby programy można ładować przez Wi-Fi (wymagany zewnętrzny moduł) lub Bluetooth (wbudowane). Dodatkowo, jeśli budujemy robota zdalnie sterowanego, możemy nim sterować przy użyciu bezprzewodowego połączenia ze smartfonem lub tabletem.
Wewnątrz „inteligentnej cegły” znajduje się 300-megahercowy procesor ARM, 16 megabajtów pamięci stałej (i oto, dlaczego przyda się karta) oraz 64 megabajty pamięci RAM. Choć te liczby mogą wydawać się skromne, to dla wykonania nawet najbardziej złożonych algorytmów, które możesz napisać ty lub tym bardziej dziecko w trakcie nauki, mocy z pewnością wystarcza. A jeśli porównamy to z 48-megahercowym procesorem poprzedniej generacji NXT, który właśnie obchodził dziesiąte urodziny – postęp widać gołym okiem. Jednak nie można powiedzieć, że NXT jakoś zauważalnie spowalniał podczas rozwiązywania typowych zadań.
Dodatkowo pojawił się czwarty port dla silników, co samo w sobie jest znacznym rozszerzeniem funkcjonalności, które uzasadnia aktualizację.
Port USB teraz obsługuje tryb hosta, co pozwala nie tylko na podłączenie adaptera Wi-Fi, ale także na połączenie kilku jednostek EV3 w jednego złożonego robota. Jednak poziom zadań staje się przy tym całkowicie „nie dla dzieci”.
W końcu MINDSTORMS Education EV3 zyskał wsparcie dla zasilania akumulatorowego. Zamiast sześciu baterii AA można zainstalować dołączony akumulator litowo-jonowy o pojemności ponad dwóch amperogodzin. Oczywiście nikt nie zabrania korzystania z baterii AA typu eneloop, ale konieczność ich wyjmowania do ładowania obniża użyteczność. A cena dwóch zestawów eneloop z ładowarką jest porównywalna z oryginalnym akumulatorem.
Ach tak, pojawił się duży i głośny głośnik, który teraz może nie tylko odtwarzać retro-melodie z epoki 8-bitowej, ale także przyjemniejsze dźwięki.
Teraz przyjrzyjmy się efektorom z podstawowego zestawu. Dwa z nich to mocne silniki, podobne do tych już używanych w NXT, wydłużone urządzenia, które dzięki wewnętrznemu przekładni redukcyjnej rozwijają znaczący moment obrotowy.
Na wypadek zablokowania silnika przewidziano mechaniczne sprzęgło, które zaczyna ślizgać się, jeśli tarcie przekracza obliczone wartości, dzięki czemu silnik jest stosunkowo trudno przypalić.
Jest też czujnik kąta obrotu o rozdzielczości jednego stopnia (silnik informuje kontroler, pod jakim kątem obecnie obraca się jego oś) oraz możliwość dokładnej synchronizacji obrotów wszystkich podłączonych silników.
Trzeci, tak zwany serwomotor M (średniej wielkości silnik) generuje trzy razy mniejszy moment obrotowy, ale jego prędkość obrotowa jest prawie dwa razy wyższa.
Jeśli chodzi o czujniki, w rzeczywistości nie trzeba ograniczać się do tych, które oferuje LEGO Education (chociaż ich ilość wystarcza do każdego projektu edukacyjnego), szereg firm zewnętrznych produkuje kompatybilne, a czasem dość egzotyczne czujniki. Kod źródłowy oprogramowania układowego i specyfikacje sprzętowe są całkowicie .
Oprogramowanie
Dużo mówiliśmy o sprzęcie, ale to nie on jedynie decyduje o efektywności zajęć z robotyki. To właśnie obecność naprawdę intuicyjnego oprogramowania na wielu platformach (Mac, PC, urządzenia mobilne) oraz uczyniły LEGO MINDSTORMS Education EV3 platformą wyboru w edukacji, zwłaszcza na poziomie szkoły podstawowej i średniej, dla dzieci w wieku około dziesięciu lat.
Ekran powitalny aplikacji na iPada
Wizualizacja algorytmów w rodzimym oprogramowaniu LEGO MINDSTORMS Education EV3 jest na najwyższym poziomie – wystarczy dosłownie kilka minut, aby opanować podstawowe rodzaje interakcji bloków logicznych (warunki przejścia, pętle itp.) i stopniowo zwiększać złożoność programów. Oczywiście dostępne są także gotowe projekty edukacyjne dla dziesiątek różnych modeli robotów, a w internetowych społecznościach można znaleźć tysiące interesujących programów.
Przykład programu w aplikacji na iPada
Zaawansowani użytkownicy mogą zainstalować LabVIEW lub RobotC – „mózg” LEGO MINDSTORMS Education EV3 jest w pełni kompatybilny z tymi pakietami. Niestety, eksportowanie starych projektów dla NXT bez dodatkowej konwersji nie będzie możliwe.
Z perspektywy edukacyjnej znacznie większe zainteresowanie wzbudza . Pozwala ona prowadzić elektroniczne dzienniki uczniów, dzięki którym nauczyciel może z własnej wersji aplikacji oceniać postępy konkretnego ucznia i obserwować jego rozwój. Co więcej, można korzystać nie tylko z dostępnych w oprogramowaniu materiałów edukacyjnych (których jest mnóstwo), ale także korzystając z wbudowanego edytora treści tworzyć swoje własne.
Filmy instruktażowe dotyczące pracy z edytorem treści EV3
W wersji desktopowej znajduje się także narzędzie do rejestracji danych z możliwością programowania obszarów wykresu w zależności od wartości progowych. Oznacza to, że nauczyciel może łatwo zaprezentować działanie nowoczesnych technologii w ramach inteligentnego domu, na przykład.
Mikrokontroler EV3 będzie zbierać dane z czujników w czasie rzeczywistym i w zależności od tła temperatury uruchomi odpowiedni program modelu. W wysokiej temperaturze włącza się wentylator, a w niskiej — grzejnik. Uczniowie będą mogli rejestrować i analizować dane, rozwijając model.
Rejestrowanie danych
Otwartość oprogramowania układowego „inteligentnego klocka” już odegrała swoją rolę: istnieją alternatywne opcje wspierające większość popularnych języków programowania (dziesiątki z nich). Generalnie, korzystanie z EV3 można „przyczepić” do każdego projektu edukacyjnego związanego z programowaniem, gdyż niewiele rzeczy cieszy tak, jak możliwość zobaczenia działania własnych algorytmów „w sprzęcie”.
Wiele osób obawia się, że kamieniem milowym w tej historii może okazać się cena. Rzeczywiście, za Zestaw Podstawowy trzeba zapłacić 29 900 rubli, plus jeszcze 2 500 za ładowarkę. Jednak ta suma obejmuje elementy i elektronikę potrzebną do komfortowej pracy dwóch uczniów, a także pełnoprawne podstawowe oprogramowanie z 48 gotowymi zajęciami (które od stycznia 2016 jest całkowicie darmowe, zarówno dla osób prywatnych, jak i dla organizacji). Oczywiście, dodatkowe wyposażenie i zestawy zadań mogą zwiększyć koszty, ale w rozsądnych granicach. Zestaw dla 8 uczniów, w tym zestawy podstawowe i zasobowe LME EV3, ładowarki, oprogramowanie i , wyniesie 174 900. Całkiem akceptowalna cena na wyposażenie, na przykład, kółka w szkole.
Tak, to zauważalnie drożej niż proste platformy podobne do Arduino. Ale możliwości oraz poziom zaangażowania są znacznie wyższe. Program nauczania oparty na EV3 można spokojnie planować na całe gimnazjum i dalej. Co więcej, przy odpowiednim użytkowaniu LEGO MINDSTORMS Education EV3 po prostu „przetrwa” kilka prostych zestawów dzięki jakości mechanicznej, łatwej wymienności i dostępności części (na moim doświadczeniu tylko jeden kabel RJ-12 wymagał wymiany w 10-letnim NXT).
W efekcie widzimy praktycznie projekt o otwartym kodzie źródłowym, wspierany przez gigantyczną firmę, z wszystkimi przysługującymi w takiej sytuacji bonusami – długim cyklem życia, dostępnością części i rozszerzeń, oficjalnymi i amatorskimi poradnikami, rozwiniętą społecznością. Mindstorms stał się praktycznie standardem na zachodnich klasach edukacyjnych w robotyce dla dzieci i byłoby naprawdę wspaniale zobaczyć jego szerokie zastosowanie i w Rosji.
Wybór ścieżki
A teraz do rzeczy. W przeciwieństwie do zestawów WeDo 2.0, EV3 jest skierowany do szkół średnich, a więc do starszych dzieci, dla których kwestia wyboru przyszłego zawodu staje się już poważniejsza.
Korzystając z EV3, każdy z uczniów będzie mógł aktywniej rozwijać te umiejętności, które zostały w nim zakodowane przez naturę, wychowanie i proces edukacyjny.
Urodzony matematyk będzie uważnie obserwował telemetrię czujników, jak dokładnie rejestrowane jest przebyte przez robota odległość, jak zapisywany jest kąt, pod jakim się odchyla, i inne tego typu rzeczy.
Przyszły informatyik, oczywiście, zagłębi się w programowanie robota, analizując algorytmy, na podstawie których się porusza. Z pewnością będzie też tworzył swoje własne, nieujęte w standardowej instrukcji.
Zafascynowane fizyką dziecko będzie mogło przy pomocy robota przeprowadzać wizualne eksperymenty, zwłaszcza że z czujnikami w zestawach nie ma problemów, tak samo jak z wyobraźnią dziecka.
Ogólnie, niezależnie od zainteresowań i ulubionych przedmiotów w szkole, nauka z wykorzystaniem zestawów MINDSTORMS EV3 pozwoli na ich wyraźniejsze rozwinięcie i skoncentrowanie się na ich rozwoju w przyszłości.
W życiu
Na chwilę obecną rozwiązania firmy są już wykorzystywane przez uczniów do tworzenia interesujących projektów, zarówno w ramach różnych konkursów, jak i dla ogólnego rozwoju. O kilku z nich w tym roku pisały media.
Uczniowie z Ałtajska, Rusłan Kazimow i Michaił Gładyszew, w oparciu o regionalny park technologiczny opracowali robota-trenera do rehabilitacji stawów rąk.
foto — rg.ru
Ósmy klasyści poświęcili na opracowanie symulatora nieco mniej niż dwa miesiące. Zgłosili swój projekt na regionalnym etapie IX Ogólnoruskiego Konkursu Projektów Naukowych i Innowacyjnych w JUFO, gdzie zajęli drugie miejsce. W przyszłości planują stworzyć przemysłowy prototyp – na razie deweloperzy oferują tylko prototyp wykonany z edukacyjnego zestawu robotyki LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Urządzenie duplikuje ruchy wykonywane przez lekarza – stawy zaczynają pracować, przywracając w ten sposób ruchomość nie tylko ich, ale i grupy mięśni. Na razie urządzenia są połączone przez Bluetooth, w przyszłości będą współpracować z użyciem internetu lub Wi-Fi.
Na rynku są analogi takiego urządzenia, jednak astrapotańskie urządzenie może pracować jednocześnie z ramieniem, nadgarstkiem i łokciem. Dodatkowo jest przenośne i działa na akumulator. Istnieje też możliwość zdalnego sterowania, co oznacza, że pacjent może trenować, nie wychodząc z domu.
Na Światowej Olimpiadzie Robotyki 2015 roku (WRO 2015) rosyjska drużyna DRL z Sankt Petersburga otrzymała specjalną nagrodę za kreatywność od firmy LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
Rosyjska drużyna DRL zaprezentowała projekt CaveBot. Chłopcy z Sankt Petersburga pod kierunkiem trenera Siergieja Filipowa stworzyli unikalnego robota-eksploratora do wykrywania nieznanych obszarów w jaskiniach. Opracowanie dotyka różnych dziedzin nauki, ponieważ unikalny robot umożliwia wykonywanie różnorodnych złożonych zadań.
Zespół zbudował robota wspinacza, wyposażonego w różne czujniki, do wykrywania przedmiotów w celu ich dalszego zbadania. Uzyskane dane mogą zostać przekształcone w modele 3D na komputerze.
A 13-letni Shubham Banerji stworzył Braille'a z części LEGO w ramach szkolnego projektu naukowego. Później, przy udziale swojej rodziny, powstał startup, który uruchomił wynalazek i otrzymał wsparcie finansowe od korporacji technicznej Intel.
(Zdjęcie: Marcio Jose Sanchez, AP)
Pomysł stworzenia drukarki przyszedł do Shubhama po zbadaniu Braille'a w internecie. Zrozumiał, że drukarki do wypisywania Braille'a kosztują od 2000$ wzwyż, więc postanowił stworzyć tańszą wersję.
Wkrótce po wynalezieniu niewidome dzieci oraz ich rodzice zaczęli kontaktować się z Shubhamem z jedyną prośbą — o stworzenie niedrogiej drukarki Braille'a, obiecując „kupić ją prosto z półki”.
Jak widać, wykorzystanie MINDSTORMS Education EV3 w procesie nauczania pozwala uczniom na maksymalne uruchomienie wyobraźni, tworząc coraz to nowe mechanizmy, które nie tylko pomagają w realizacji pomysłów lub w przeprowadzaniu wizualnych eksperymentów, ale także w określaniu przyszłej ścieżki zawodowej.
Jeśli masz pytania dotyczące wykorzystania tych rozwiązań w procesie edukacyjnym (lub samych produktów) — pisz je w komentarzach.
Źródło: habr.com
