LEGO MINDSTORMS Education EV3 в профориентации
изображение — roboconstructor.ru
Известная притча гласит, что, когда к мудрецу обратилась молодая мать с ребенком на руках и спросила, с какого возраста ей следует начинать воспитание отпрыска, старец ответил, что она опоздала на столько лет, сколько уже было ребенку. С выбором будущего призвания ситуация достаточно похожая. Сложно требовать осознания своих склонностей и интересов от младенца, но вот уже в средней школе начинаются всевозможные специализации, и к этому времени неплохо бы уже знать, в какую сторону двигаться подросшему чаду. Но одно мы знаем уже почти наверняка — в течение ближайших десятилетий от 30 до 80% профессий будут полностью автоматизированы.
Робототехника, кибернетика, понимание алгоритмов — тот набор навыков, с которым, скорее всего, человеку не будут грозить настолько туманные перспективы. Конечно, скорее всего параллельно с заменой рабочей силы на роботов будет развиваться и концепция безусловного базового дохода, вот только вряд ли вы хотите для своего ребенка подобного будущего.
Способов быстро показать молодой и заинтересованной аудитории основы программирования и робототехники сейчас существует много. Все они стоят недорого, достаточно просты в освоении, дают уже через несколько часов понимание основ алгоритмов и концепций кибернетических устройств. Но в учебных классах легко столкнуться и с недостатками этих платформ — ограниченной износоустойчивостью (да и чего греха таить — «идиотоустойчивостью» тоже) макетных плат, не очень дружелюбными для детей 11–12 лет интерфейсами ПО, относительно небольшим элементом «игры».
Со всеми этими недостатками уже больше двадцати лет борются в самой известной компании-производителе развивающих наборов LEGO Education. Речь идет, разумеется, о платформе MINDSTORMS Education EV3. Начиная с произведенных в начале 90-х Mindstorms RCX и заканчивая самым современным комплексом MINDSTORMS Education EV3 принцип формирования платформы остается прежним. В основе лежит «умный кирпич» («intelligent brick»), это микрокомпьютер с экраном и портами ввода-вывода, к которому подключаются все остальные компоненты. Как и в любой робототехнической системе периферийные устройства подразделяются на сенсоры и эффекторы. При помощи сенсоров робот воспринимает окружающий мир, а благодаря эффекторам — реагирует на него в соответствии с заложенной программой. Соединяются компоненты платформы вместе простыми кабелями без пайки, а механические конструкции ограничены только прочностью пластиковых деталей и фантазией конструкторов.
В предыдущем посте мы рассматривали возможности таких решений в общем и целом, сейчас же хотим подробнее остановиться именно на LEGO MINDSTORMS Education EV3.
EV3
LEGO MINDSTORMS Education EV3 сделан совместимым с деталями Lego Technic. Это означает, что платформу можно использовать для создания самых разнообразных и даже невероятных конструкций, от простых «машинок» и «роборук» до сложных конвейеров или даже «решателей» кубика Рубика. Фактически любой набор Lego Technic может стать источником деталей для проектов, также никаких проблем не будет с заменой пострадавших запасных частей. Да, выглядят они не так брутально, как старый советский алюминиевый конструктор, но на практике оказываются даже прочнее изделий из металла. По крайней мере в моей коллекции, стартовавшей в 1993 году, еще не обнаружилось ни одной сломанной детали.
В комплекте с базовым образовательным набором MINDSTORMS Education EV3 есть 541 деталь Lego Technic. Можно докупить как специализированный ресурсный набор вроде 45560 (или более старый 9648, выпускавшийся еще для NXT), так и просто большой конструктор типа 42043 (2800 деталей) или 42055 (почти 4000 деталей), и, вдоволь наигравшись с основной моделью, пустить его на «кирпичики» для кибернетических опытов. В пересчете на одну деталь Lego здесь очень сильно выигрывает у других наборов — всего 3–5 рублей за одну штуку.
Ну, а если у кого-то сохранилась старая коллекция, включающая десятки тысяч деталей, то беспокоиться о ресурсах и вовсе не придется.
Скриншот из сервиса Brickset (интерактивная база для владельцев конструкторов Lego, позволяющая собирать разнообразную статистику) автора
Впрочем, это касается только «пассивных» элементов вроде балок, колес или соединительных пинов. Сенсоры и эффекторы, разумеется, значительно дороже, но и в базовом комплекте их более чем достаточно. Mindstorms EV3 поставляется в комплекте с тремя моторами (два побольше и помощнее и один компактный сервопривод), парой сенсоров касания (своего рода «умные» кнопки), ультразвуковым, гироскопическим и цветовым сенсорами (он же может работать в режиме сенсора освещенности). Плюс сохранена совместимость с датчиками от предыдущего поколения роботов Lego Education — Mindstorms NXT (в их число входит, например, датчик уровня шума).
Но вернемся к «умному кирпичу», сердцу системы. Это действительно довольно увесистый и объемный «кирпичик», оснащенный монохромным ЖК-экраном 178×128 (на него выводится не только меню, но и всевозможные кастомные картинки в процессе работы) с изменяемым цветом подсветки. При помощи проводов со стандартным разъемом RJ-12 к нему подключаются сенсоры и эффекторы (до четырех устройств каждого типа), есть слот для microSDHC и USB-порт.
Последний можно использовать как для загрузки собственно программ, так и для обновления прошивки. Однако не обделен микроконтроллер и беспроводными интерфейсами, при желании загружать программы можно через Wi-Fi (нужен внешний модуль) или Bluetooth (встроен). Также, если мы собираем робота с дистанционным управлением, «рулить» им можно с использованием беспроводной связи со смартфона или планшета.
Внутри «умного кирпича» живет 300-мегагерцовый ARM-процессор, 16 мегабайт постоянной памяти (и вот зачем пригодится карточка) и 64 мегабайта оперативной. Какими бы скромными ни казались эти цифры, для исполнения даже самых разветвленных алгоритмов, которые вы или тем более ребенок в процессе обучения может написать, мощности более чем достаточно. А если сравнить с 48-мегагерцовым процессором предыдущего поколения NXT, которому недавно стукнуло десять лет — то прогресс и вовсе заметный. Впрочем, нельзя сказать, чтобы и NXT сколько-нибудь заметно тормозил в процессе решения типовых задач.
Плюс появился четвертый порт для моторов, само по себе это значительное расширение функционала, которое оправдывает апгрейд.
USB-порт теперь поддерживает режим хоста, это позволяет не только подключать Wi-Fi-адаптер, но и соединять несколько блоков EV3 в одного сложного робота. Правда, и уровень задач при этом становится совершенно «не детским».
Наконец, MINDSTORMS Education EV3 обзавелся поддержкой аккумуляторного питания. Вместо шести АА-батареек можно установить идущий в комплекте литиево-ионный аккумулятор на два с хвостиком ампер-часа. Конечно, никто не запрещает пользоваться пальчиковыми аккумуляторами типа eneloop, но необходимость их вынимать для зарядки делает юзабилити ниже среднего. Да и по цене пара комплектов eneloop c зарядником вполне сравнима с фирменным аккумулятором.
Ах да, появился большой и громкий динамик, который сейчас может не просто пищать ретро-мелодии из 8-битной эры, но и проигрывать более приятные звуки.
Теперь посмотрим на эффекторы из базового набора. Два из них — мощные моторы, аналогичные уже использовавшимся в NXT, продолговатые устройства, развивающие благодаря внутренней понижающей передаче серьезный крутящий момент.
На случай блокировки мотора предусмотрен механический фрикцион, который начинает проскальзывать, если трение больше расчетного, так что мотор довольно сложно спалить.
Имеется датчик угла поворота с разрешением в один градус (мотор сообщает контроллеру, на какой угол сейчас повернута его ось) и возможность точно синхронизировать вращение всех подключенных моторов.
Третий, так называемый М-сервопривод (средний по размеру мотор) выдает в три раза меньший крутящий момент, но зато его скорость вращения выше почти в два раза.
Что касается сенсоров, то на самом деле вовсе не обязательно ограничиваться теми, что предлагает LEGO Education (хотя и их выше крыши для любого образовательного проекта), ряд сторонних компаний выпускает совместимые и порой довольно экзотические сенсоры. Исходный код прошивки и аппаратные спецификации полностью открыты.
Программное обеспечение
Мы много говорили об аппаратной базе, но на самом деле далеко не только она определяет эффективность занятий по робототехнике. Именно наличие действительно интуитивно понятного ПО на множестве платформ (Мак, ПК, мобильные устройства) и готовых учебных планов делает LEGO MINDSTORMS Education EV3 платформой выбора при обучении, и особенно на рубеже начальной и средней школы, для детей лет десяти.
Приветственный экран приложения на iPad
Визуализация алгоритмов в родном ПО LEGO MINDSTORMS Education EV3 находится просто на высшем уровне — достаточно буквально за несколько минут усвоить основные виды взаимодействия логических блоков (условия перехода, цикл и т.д.) и в дальнейшем постепенно наращивать сложность программ. Разумеется, есть и готовые обучающие проекты для десятков разнообразных моделей роботов, а при желании в интернет-сообществах можно найти тысячи интересных программ.
Пример программы в приложении для iPad
Продвинутые же пользователи могут установить LabVIEW или RobotC — «мозги» LEGO MINDSTORMS Education EV3 полностью совместимы с этими пакетами. Вот экспортировать старые проекты для NXT без дополнительной конвертации, увы, не выйдет.
С образовательной же точки зрения гораздо больший интерес представляет версия ПО для настольных компьютеров. Оно позволяет вести электронные тетради учеников, благодаря которым преподаватель может из своей версии приложения оценивать успехи конкретного ученика и наблюдать за его прогрессом. Плюс ко всему можно использовать не только имеющиеся на борту ПО учебные материалы (коих множество), но и с помощью встроенного редактора контента создавать свои собственные.
Обучающие видео по работе с редактором контента EV3
А еще в десктоп-версии есть утилита регистрации данных с возможностью программирования областей графика в зависимости от пороговых значений. То есть теперь педагог может с легкостью продемонстрировать работу современных технологий в рамках умного дома, к примеру. Микрокомпьютер EV3 будет собирать данные с датчиков в реальном режиме времени и в зависимости от температурного фона запускать ту или иную программу модели. При высокой температуре включается вентилятор, при низкой — обогреватель. А ученики смогут фиксировать и анализировать данные, дорабатывая модель.
Журналирование данных
Открытость прошивки «умного кирпича» уже сыграла свою роль: существуют альтернативные варианты с поддержкой большинства популярных языков программирования (десятки их). По большому счету использование EV3 можно «прикрутить» к любому образовательному проекту, связанному с программированием, поскольку мало что так радует, как возможность увидеть работу собственных алгоритмов «в железе».
Многие ждут, что камнем преткновения в этой истории может оказаться цена. Действительно, за Базовый набор придется выложить 29 900 рублей, плюс еще 2 500 отдать за зарядку. Однако в эту сумму включены детали и электроника для комфортной работы двух учеников, а также полноценное базовое ПО с 48 готовыми занятиями (которое с января 2016 полностью бесплатно, как для частных лиц, так и для организаций). Конечно, дополнительное оборудование и комплекты заданий могут увеличить стоимость, но в пределах разумного. Так комплект для 8 учеников, включающий базовые и ресурсные наборы LME EV3, зарядные устройства, ПО и дополнительный комплект заданий «Инженерные проекты», обойдется в 174 900. Вполне приемлемо для оснащения, например, кружка в школе.
Да, это заметно дороже простых Arduino-подобных платформ. Но и возможности, а также уровень вовлеченности гораздо выше. Учебную программу на базе EV3 можно спокойно планировать на всю среднюю школу и дальше. Кроме того, при адекватном использовании LEGO MINDSTORMS Education EV3 банально «переживет» несколько простых комплектов за счет механических качеств, легкой заменяемости и доступности деталей (на моей практике только один шлейф RJ-12 потребовал замены в 10-летнем NXT).
В итоге мы видим практически оупенсорсный проект, поддерживаемый гигантской компанией со всеми положенными в такой ситуации бонусами — большим жизненным циклом, доступностью запчастей и расширений, официальными и любительскими гайдами, развитым сообществом. Mindstorms стал практически стандартом западных образовательных классов по робототехнике для детей, и было бы по-настоящему здорово увидеть его широкое распространение и в России.
Выбор пути
А теперь к главному. В отличие от наборов WeDo 2.0, EV3 ориентирован на среднюю школу, соответственно, на детей постарше, для которых вопрос выбора будущей профессии стоит уже посерьезнее.
Используя EV3, каждый из учеников сможет активнее раскрыть те способности, которые были в нем заложены природой, воспитанием и учебным процессом.
Прирожденный математик будет пристально следить за телеметрией датчиков, за тем, как именно фиксируется пройденное роботом расстояние, как записывается угол, на который он отклоняется, и прочее.
Будущий айтишник, само собой, погрузится в программирование робота, разбирая алгоритмы, по которым тот движется. И непременно будет создавать свои, не предусмотренные штатной инструкцией.
Увлеченный физикой ребенок сможет с помощью робота проводить наглядные эксперименты, благо с датчиками у наборов проблем нет, равно как и у ребенка — с фантазией.
В общем, какие бы у ребенка ни были интересы и любимые предметы в школе, обучение с использованием наборов MINDSTORMS EV3 позволит четче их выделить и сконцентрироваться на их развитии в будущем.
В жизни
На данный момент решения компании уже используются учащимися для создания интересных проектов, как в рамках различных конкурсов, так и для общего развития. О ряде из них в этом году писали СМИ.
Астраханские школьники Руслан Казимов и Михаил Гладышев на базе регионального технопарка разработали робот-тренажер для реабилитации суставов рук.
фото — rg.ru
На разработку тренажёра восьмиклассники потратили чуть меньше двух месяцев. Они представили свой проект на региональном этапе IX Всероссийского конкурса научно-инновационных проектов в ЮФО, где заняли второе место. В дальнейшем они планируют создать промышленный образец — пока разработчики предлагают только прототип, изготовленный из образовательного робототехнического набора LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Устройство дублирует движения, выполняемые врачом — суставы начинают работать, тем самым восстанавливается подвижность не только их, но и групп мышц. Пока устройства связаны через Bluetooth, в будущем будут взаимодействовать с помощью интернета или Wi-Fi.
Аналоги такого устройства есть на рынке, однако астраханский прибор может работать одновременно с плечевым, лучезапястным и локтевым суставами. Кроме того, он переносной и работает от аккумулятора. Также есть возможность удалённого управления, то есть пациент может тренироваться, не выходя из дома.
На Всемирной Олимпиаде по робототехнике 2015 года (WRO 2015) российская команда DRL из Санкт-Петербурга была награждена специальным призом за креативность от компании LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
Российская команда DRL представила проект CaveBot. Ребята из Санкт-Петербурга под руководством тренера Сергея Филиппова создали уникального робота-исследователя для обнаружения неизведанных областей в пещерах. Разработка затрагивает различные научные области, так как уникальный робот делает возможным выполнение разнообразных по сложности задач.
Команда построила робота-скалолаза, оснащенного различными датчиками, для обнаружения предметов с целью их последующего исследования. Полученные данные могут быть превращены в 3D-модели на компьютере.
А 13-летний Шубхэм Бэнерджи создал принтер Брайля из частей LEGO в рамках школьного научного проекта. Позже, при участии его семьи, был создан стартап по запуску изобретения, который получил финансовую поддержку от технической корпорации Intel.
(Photo: Marcio Jose Sanchez, AP)
Идея создать принтер пришла к Шубхэму после исследования Брайля в сети Интернет. Поняв, что принтеры для слепой печати стоят от 2,000$ и выше, школьник решил сделать более дешевую версию.
Вскоре после изобретения незрячие дети и их родители начали связываться с Шубхэмом с единственной просьбой — сделать недорогой принтер Брайля, обещая «купить его прямо с полки».
Как видите, использование MINDSTORMS Education EV3 в процессе обучения позволяет учащимся по-максимуму включать фантазию, создавая все новые и новые механизмы, которые не только помогают реализовать идеи или наглядно провести какие-либо эксперименты, но и начать определяться со своей будущей профессией.
Если у вас есть вопросы насчет использования этих решений в образовательном процессе (или о самих продуктах) — пишите их в комментариях.
