LEGO MINDSTORMS Education EV3 v profesijnom vzdelávaní

obrázok — roboconstructor.ru

Známa príhoda hovorí, že keď sa mladá matka obrátila na múdru osobu so svojím dieťaťom v náručí a opýtala sa, od ktorého veku by mala začať s výchovou potomka, starý muž odpovedal, že už je neskoro o toľko rokov, koľko má dieťa. Situácia pri výbere budúceho povolania je celkom podobná. Ťažko je požadovať vedome rozpoznať svoje sklony a záujmy od novorodenca, no v strednej škole sa už objavujú rôzne špecializácie a do tohto času by bolo dobre vedieť, ktorým smerom sa má rastúce dieťa uberať. No jedno vieme už takmer s istotou – v priebehu najbližších desaťročí bude od 30 do 80 % povolaní úplne automatizovaných.

Robotika, kybernetika, porozumenie algoritmom – to je súbor zručností, s ktorým, pravdepodobne, ľuďom nebudú hroziť tak nejasné vyhliadky. Samozrejme, pravdepodobne súčasne s nahrádzaním pracovnej sily robotmi sa bude rozvíjať aj koncept bezpodmienečného základného príjmu, lenže ťažko môžete chcieť pre svoje dieťa takýto budúci život.

Existuje mnoho spôsobov, ako rýchlo ukázať mladej a zaujatej publiku základy programovania a robotiky. Všetky sú cenovo dostupné, celkom jednoduché na osvojenie, a už po niekoľkých hodinách dávajú pochopenie základov algoritmov a konceptov kybernetických zariadení. Ale v učebniach sa ľahko môžete stretnúť aj s nedostatkami týchto platforiem – obmedzenou odolnosťou (a akokoľvek to znie, aj s „odolnosťou voči hlúposti“) prototypových dosiek, nie veľmi priateľskými rozhraniami softvéru pre deti vo veku 11-12 rokov, a relatívne malým prvkom „hry“.

S týmito nedostatkami bojujú už viac ako dvadsať rokov vo najznámejšej spoločnosti na výrobu vzdelávacích setov LEGO Education. Reč je samozrejme o platforme MINDSTORMS Education EV3. Začínajúc od prvých modelov Mindstorms RCX vyrobených začiatkom 90-tych rokov a končiac najmodernejším systémom MINDSTORMS Education EV3 ostáva princíp formovania platformy rovnaký. V základe je "inteligentný kameň" ("intelligent brick"), čo je mikropočítač so zobrazením a vstupno-výstupnými portami, ku ktorému sú pripojené všetky ostatné komponenty. Rovnako ako v každej robotickej sústave sa periférne zariadenia delia na senzory a efektory. Pomocou senzorov robot vníma okolitý svet a vďaka efektorom na neho reaguje v súlade s naprogramovaným programom. Komponenty platformy sú spolu prepojené jednoduchými káblami bez zvarovania, a mechanické konštrukcie sú obmedzené len pevnosťou plastových súčiastok a fantáziou konštruktérov.

V predchádzajúcom príspevku sme sa zaoberali možnosťami takýchto riešení všeobecne, teraz sa chceme podrobnejšie pozrieť na LEGO MINDSTORMS Education EV3.

EV3

LEGO MINDSTORMS Education EV3 je kompatibilný s dielmi Lego Technic. To znamená, že platformu je možné využiť na vytvorenie najrozličnejších, ba dokonca neuveriteľných konštrukcií, od jednoduchých "autíčok" a "robotických rúk" až po zložitých dopravníkov alebo dokonca "riešiteľov" Rubikovej kocky. V podstate akákoľvek sada Lego Technic môže byť zdrojom dielov pre projekty, rovnako nebudú žiadne problémy so všetkými poškodenými náhradnými dielmi. Áno, vyzerajú menej brutálne ako starý sovietsky hliníkový konštruktor, ale v praxi sú dokonca pevnejšie ako výrobky z kovu. Aspoň v mojej zbierke, ktorá začala v roku 1993, sa ešte nenašla žiadna zlomená súčiastka.

Súčasťou základného vzdelávacieho setu MINDSTORMS Education EV3 je 541 dielov Lego Technic. Môžete si dokúpiť špecializovaný zdrojový set ako 45560 (alebo starší 9648, ktorý bol vyrobený ešte pre NXT), ako aj jednoducho veľký konštruktor typu 42043 (2800 dielov) alebo 42055 (takmer 4000 dielov), a po dosýtení zo základného modelu ho rozobrať na "kocky" pre kybernetické experimenty. V prepočte na jeden diel Lego tu veľmi výrazne víťazí nad inými setmi – len 3-5 rubľov za kus.

Ak má niekto starú zbierku, ktorá obsahuje desiatky tisíc súčiastok, nemusí sa obávať o zdroje.

Screenshot zo služby Brickset (interaktívna databáza pre vlastníkov Lego stavebníc, ktorá umožňuje zbierať rôzne štatistiky) autora

Týka sa to však len „pasívnych“ prvkov ako sú nosníky, kolesá alebo spojovacie kolíky. Senzory a efektory sú samozrejme oveľa drahšie, ale aj v základnej sade ich je viac než dosť. Mindstorms EV3 sa dodáva s tromi motormi (dvoma väčšími a silnejšími a jedným kompaktným servom), pár senzormi dotyku (akési „inteligentné“ tlačidlá), ultrazvukovým, gyroskopickým a farebným senzorom (ten môže tiež fungovať v režime senzora osvetlenia). Navyše zostáva zachovaná kompatibilita so senzormi z predchádzajúcej generácie robotov Lego Education – Mindstorms NXT (medzi ktoré patrí napríklad senzor hladiny hluku).

Ale vráťme sa k „inteligentnému tehličke“, srdcu systému. Je to naozaj dosť ťažká a objemná „tehlička“, vybavená monochromatickým LCD displejom 178x128 (na ktorom sa zobrazuje nielen menu, ale aj rôzne vlastné obrázky počas práce) s meniteľnou farbou podsvietenia. Pomocou káblov so štandardným konektorom RJ-12 sa k nemu pripájajú senzory a efektory (až štyri zariadenia každého typu), obsahuje slot pre microSDHC a USB port.

Posledný sa dá použiť na nahrávanie programov, ako aj na aktualizáciu firmvéru. Mikrokontrolér tiež nie je oklamaný bezdrôtovými rozhraniami; ak si to želáme, programy môžeme nahrávať cez Wi-Fi (potrebný je externý modul) alebo Bluetooth (je integrovaný). Ak zostavujeme robota s diaľkovým ovládaním, je možné ním „riadiť“ pomocou bezdrôtového spojenia so smartfónom alebo tabletom.

Vnútri „inteligentnej kocky“ žije 300-megahertzový ARM procesor, 16 megabajtov trvalej pamäte (a práve na to sa hodí karta) a 64 megabajtov operačnej pamäte. Hoci sa tieto čísla môžu zdať skromné, výkon je viac než dostatočný na vykonávanie aj tých najzložitejších algoritmov, ktoré môžete napísať vy alebo vaše dieťa počas učenia. A ak porovnáme s 48-megahertzovým procesorom predchádzajúcej generácie NXT, ktorému nedávno pribudlo desať rokov – pokrok je naozaj viditeľný. Napriek tomu nemožno povedať, že by NXT v procese riešenia typových úloh nejako zvlášť brzdil.

Navyše sa objavil štvrtý port pre motory, čo samo o sebe predstavuje významné rozšírenie funkčnosti, ktoré odôvodňuje upgrade.

USB port teraz podporuje hostiteľský režim, čo umožňuje nielen pripojiť Wi-Fi adaptér, ale aj spojiť niekoľko blokov EV3 do jedného zloženého robota. Pravda, úroveň úloh sa tým stáva úplne „nie detskou“.

Nakoniec, MINDSTORMS Education EV3 získal podporu batériového napájania. Namiesto šiestich AA batérií je možné nainštalovať litio-iónovú batériu so kapacitou viac ako dve ampér-hodiny, ktorá je súčasťou balenia. Samozrejme, nikto nezakazuje používať článkové batérie ako eneloop, ale potreba vyberať ich na nabíjanie znižuje používateľskú priateľnosť. A cena dvoch súprav eneloop s nabíjačkou je celkom porovnateľná s originálnou batériou.

Aha, objavil sa veľký a hlasný reproduktor, ktorý teraz môže nielen prehrávať retro melódie z 8-bitovej éry, ale aj vydávať príjemnejšie zvuky.

Teraz sa pozrime na efektory z základnej súpravy. Dva z nich sú výkonné motory, podobné tým, ktoré už boli použité v NXT, predĺžené zariadenia, ktoré vďaka vnútornému prevodovému znižovaniu vyvinú značný točivý moment.

Pre prípad blokovania motora je zabezpečený mechanický trený, ktorý začne klzať, ak je trenie väčšie ako vypočítané, takže motor sa dosť ťažko prehreje.
Je k dispozícii snímač uhla otáčania s rozlíšením jedného stupňa (motor informuje kontrolér, o aký uhol je aktuálne otočená jeho os) a možnosť presne synchronizovať otáčanie všetkých pripojených motorov.

Tretí, takzvaný M-servomotor (stredne veľký motor) poskytuje trikrát menší krútiaci moment, ale jeho otáčková rýchlosť je takmer dvojnásobná.

Pokiaľ ide o senzory, nie je vôbec nutné obmedzovať sa len na tie, ktoré ponúka LEGO Education (aj keď ich je viac než dosť na akýkoľvek vzdelávací projekt), niekoľko externých spoločností sa zaoberá výrobou kompatibilných a niekedy naozaj exotických senzorov. Zdrojový kód firmvéru a hardvérové špecifikácie sú plne otvorené.

Softvér

Hovorili sme veľa o hardvérovej základni, ale v skutočnosti nie len tá určuje efektívnosť robotiky. Dôležité je aj to, že existuje skutočne intuitívny softvér na množstve platforiem (Mac, PC, mobilné zariadenia) a hotových učebných plánov robí LEGO MINDSTORMS Education EV3 platformou voľby pri vzdelávaní, najmä na rozhraní základnej a strednej školy, pre deti okolo desiatich rokov.

Úvodná obrazovka aplikácie na iPade

Vizualizácia algoritmov v natívnom softvéri LEGO MINDSTORMS Education EV3 je naozaj na vysokej úrovni – stačí si doslova za niekoľko minút osvojiť základné typy interakcií logických blokov (podmienky prechodu, cyklus a pod.) a následne postupne zvyšovať zložitosti programov. Samozrejme, existujú aj hotové vzdelávacie projekty pre desiatky rôznych modelov robotov, a ak máte chuť, v internetových komunitách môžete nájsť tisíce zaujímavých programov.

Príklad programu v aplikácii pre iPad

Pokročilí používatelia môžu nainštalovať LabVIEW alebo RobotC – 'mozog' LEGO MINDSTORMS Education EV3 je úplne kompatibilný s týmito balíkmi. Exports starých projektov pre NXT bez dodatočnej konverzie, žiaľ, nebude možný.

Z hľadiska vzdelávania predstavuje oveľa väčší záujem verzia softvéru pre stolné počítače. Umožňuje viesť elektronické žiacke zošity, vďaka ktorým môže učiteľ z vlastnej verzie aplikácie hodnotiť pokroky konkrétneho žiaka a sledovať jeho vývoj. Navyše je možné používať nielen existujúce na palube softvérové vzdelávacie materiály (ktorých je množstvo), ale aj pomocou vstavaného editora obsahu vytvárať svoje vlastné.

Vzdelávacie videá o práci s editorom obsahu EV3

A v desktopovej verzii je k dispozícii nástroj na registráciu údajov s možnosťou programovania oblastí grafu v závislosti od prahových hodnôt. To znamená, že pedagóg môže s ľahkosťou demonštrovať fungovanie moderných technológií v rámci inteligentného domu, napríklad.

Mikropočítač EV3 bude zbierať údaje zo senzorov v reálnom čase a v závislosti od teplotných podmienok spúšťať rôzne programy modelu. Pri vysokej teplote sa zapne ventilátor, pri nízkej vykurovanie. Študenti si môžu údaje zaznamenávať a analyzovať, vylepšujúc model.

Zaznamenávanie údajov

Otvorenosť firmvéru "inteligentnej tehly" už zohrala svoju úlohu: existujú alternatívne možnosti s podporou väčšiny populárnych programovacích jazykov (desiatky z nich). V podstate je možné použiť EV3 s akýmkoľvek vzdelávacím projektom súvisiacim s programovaním, pretože málo čo poteší tak, ako vidieť fungovanie vlastných algoritmov "v železe".

Mnohí čakajú, že kameňom úrazu v tomto príbehu môže byť cena. Skutočne, za Základný set bude potrebné zaplatiť 29 900 rubľov, plus ešte 2 500 za nabíjačku. Avšak táto suma zahŕňa komponenty a elektroniku pre pohodlnú prácu dvoch žiakov, ako aj plnohodnotný základný softvér s 48 hotovými lekciami (ktorý je od januára 2016 úplne zadarmo, ako pre súkromné osoby, tak aj pre organizácie). Samozrejme, dodatočné vybavenie a sady úloh môžu cenu zvýšiť, ale v rozumných medziach. Tak sada pre 8 žiakov, obsahujúca základné a zdrojové súpravy LME EV3, nabíjačky, softvér a dodatočnú sadu úloh "Inžinierske projekty", vyjde na 174 900. Celkom prijateľné pre vybavenie, napríklad krúžku v škole.

Áno, je to výrazne drahšie ako jednoduché platformy podobné Arduinu. Ale aj možnosti, ako aj úroveň zapojenia, sú oveľa vyššie. Výučbový program na báze EV3 je možné pokojne plánovať na celé stredné školy a ďalej. Okrem toho, pri primeranom používaní LEGO MINDSTORMS Education EV3 jednoducho "prežije" niekoľko jednoduchých súprav vďaka mechanickým vlastnostiam, ľahkej vymeniteľnosti a dostupnosti komponentov (na mojej praxi si iba jeden kábel RJ-12 vyžiadal výmenu v 10-ročnom NXT).

Na konci vidíme prakticky open-source projekt, ktorý podporuje obrovská spoločnosť so všetkými náležitosťami, ktoré k takýmto situáciám patria – dlhá životnosť, dostupnosť náhradných dielov a rozšírení, oficiálne aj amatérske príručky, rozvinuté spoločenstvo. Mindstorms sa stal prakticky štandardom západných vzdelávacích tried v oblasti robotiky pre deti a bolo by naozaj skvelé vidieť jeho široké rozšírenie aj v Rusku.

Výber cesty

A teraz k jadru veci. Na rozdiel od súprav WeDo 2.0 je EV3 zameraný na stredné školy, a teda na starších žiakov, pre ktorých sa otázka výberu budúceho povolania stáva vážnejšou.

Používaním EV3 bude každý žiak schopný aktívne rozvinúť tie schopnosti, ktoré v ňom boli zakorenené prírodou, výchovou a vzdelávacím procesom.

Nerodený matematik bude dôkladne sledovať telemetriu snímačov, ako sa zaznamenáva prejdená vzdialenosť robotom, ako sa zapisuje uhol, pod ktorým sa odchyľuje, a ďalšie.

Budúci IT odborník sa prirodzene ponorí do programovania robota, rozoberajúc algoritmy, podľa ktorých sa pohybuje. A určite vytvorí svoje vlastné, ktorá nie sú uvedené v štandardných pokynoch.

Zvedavé dieťa zamerané na fyziku bude môcť pomocou robota vykonávať názorné experimenty, veď so snímačmi súpravy nie sú žiadne problémy, rovnako ako s detskou fantáziou.

Celkovo, bez ohľadu na to, aké záujmy a obľúbené predmety má dieťa v škole, vzdelávanie s použitím súprav MINDSTORMS EV3 umožní jasnejšie ich vyzdvihnúť a sústrediť sa na ich rozvoj v budúcnosti.

V živote

Momentálne sa riešenia spoločnosti už využívajú študentmi na vytváranie zaujímavých projektov, či už v rámci rôznych súťaží, alebo pre osobný rozvoj. O niektorých z nich písali v tomto roku médiá.

Školáci z Astrachanskej oblasti Ruslan Kazimov a Michail Gladyšev vyvinuli robot-tréner na rehabilitáciu kĺbov rúk na základe regionálneho technologického parku.

foto — rg.ru

Na vývoj trénera deviataci vynaložili niečo menej ako dva mesiace. Predstavili svoj projekt na regionálnom kole IX. celoslovenskej súťaže vedecko-inovačných projektov na Juhu, kde získali druhé miesto. V budúcnosti plánujú vyrobiť priemyselný vzor – zatiaľ vývojári ponúkajú iba prototyp vyrobený z vzdelávacieho robotického setu LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Zariadenie duplikuje pohyby vykonávané lekárom – kĺby začínajú fungovať, čím sa obnovuje pohyblivosť nielen ich, ale aj svalových skupín. Zatiaľ sú zariadenia spojené cez Bluetooth, v budúcnosti budú interagovať prostredníctvom internetu alebo Wi-Fi.

Analógy takého zariadenia existujú na trhu, avšak astrakhanský prístroj dokáže pracovať súčasne s ramenným, zápästným a lakťovým kĺbom. Okrem toho je prenosný a funguje na akumulátor. Taktiež existuje možnosť diaľkového ovládania, teda pacient môže cvičiť, aniž by opustil domov.

Na Svetovej olympiáde v robotike 2015 (WRO 2015) ruský tím DRL zo Petrohradu získal špeciálnu cenu za kreativitu od spoločnosti LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).

Ruský tím DRL predstavil projekt CaveBot. Chlapci z Petrohradu pod vedením trénera Sergeja Filippova vytvorili jedinečného robota-prieskumníka na objavenie nepreskúmaných oblastí v jaskyniach. Vývoj zasahuje do rôznych vedeckých oblastí, pretože jedinečný robot umožňuje vykonávanie rozmanitých úloh rôznej zložitosti.

Tím postavil robota-lezcov, vybaveného rôznymi senzormi, na objavovanie predmetov s cieľom ich následného skúmania. Získané údaje môžu byť premenené na 3D modely na počítači.

A 13-ročný Shubham Banerjee vytvoril tlačiareň braillovského písma z častí LEGO v rámci školského vedeckého projektu. Neskôr, za účasti jeho rodiny, vznikol startup na zavedenie jeho vynálezu, ktorý získal finančnú podporu od technickej korporácie Intel.

(Foto: Marcio Jose Sanchez, AP)

Myšlienka vytvoriť tlačiareň prišla k Shubhamovi po skúmaní Braillovho písma na internete. Keď si uvedomil, že tlačiarne pre nevidiacich stoja od 2000$ a viac, rozhodol sa vyrobiť lacnejšiu verziu.

Čoskoro po vynáleze sa nevidiaci deti a ich rodičia začali obracať na Shubham s jednou žiadosťou – vytvoriť cenovo dostupnú Braillovu tlačiareň, sľubujúc "kúpiť ju priamo z regálu".

Ako vidíte, použitie MINDSTORMS Education EV3 v procese vzdelávania umožňuje študentom maximálne zapojiť fantáziu, vytvárajúc stále nové a nové mechanizmy, ktoré nielen pomáhajú realizovať nápady alebo vizuálne vykonávať nejaké experimenty, ale taktiež začať určiť svoju budúcu profesiu.

Ak máte otázky týkajúce sa použitia týchto riešení vo vzdelávacom procese (alebo o samotných produktoch) – napíšte ich do komentárov.

Zdroj: habr.com