Особенности выбора технических средств обучения образовательной робототехнике в средней школе



В статье рассматриваются особенности использования робототехнических наборов на основе конструкторов и на основе макетных плат в процессе преподавания дисциплины «Робототехника»

Ключевые слова: робототехника, LEGO, VEX, Arduino, конструктор.

На текущий момент образовательная робототехника активно развивается. Содержание программ преподавания в Казахстане варьируется и основывается на нескольких аспектах, таких как государственный стандарт образования, методические рекомендации, типовые учебные программы [1]. Но основой для выбора методов преподавания и непосредственно составления планирования занятий является тот или иной робототехнический конструктор.

Преподаватель строит процесс обучения основываясь на имеющемся техническом средстве обучения, то есть в данном случае можно сказать, что средство определяет метод и содержание занятия.

Выбор робототехнических конструкторов огромен, он растет и развивается. Если говорить о классической классификации роботов, то она достаточно обширна. Роботов классифицируют в зависимости от способа управления, принципа перемещения, типа выполняемых задачи и по множеству других признаков [2]. Касательно классификации именно образовательных роботов то, их можно разделить на две большие группы:

— полноразмерные робототехнические конструкторы;

— микроконтроллер и печатная плата.

Образовательные роботы-конструкторы.

Образовательные роботы-конструкторы представляют из себя набор из определенных деталей. В комплекты входят микроконтроллер, различные датчики, приводные платформы или двигатели, а также детали для создания базы или корпуса робота. Количество деталей таких роботов зависит от производителя и комплектации конкретной модели. По сути, такие роботы являются конструктором в его классическом понимании, т. е. детали одного набора имеют единый способ крепления друг к другу.

Наиболее популярными образовательными роботами-конструкторами являются:

— LEGO Mindstorms;

— LEGO WeDo 2.0;

— Fischertechnik Robotics;

— VEX.

LEGO Mindstorms.

Робототехнические конструкторы серии LEGO Mindstorms имеют несколько версий. Актуальными на сегодняшний день являются две, это: Mindstorms NXT и Mindstorms EV3 (Рисунок 1). Версия контроллера EV3 поддерживает все периферийные устройства NXT, что существенно расширяет возможности конструирования роботов. Конструктор LEGO Mindstorms EV3 предназначен для детей старше 10 лет. Он создавался для внедрения в учебный процесс средних школ.

Рис. 1. Конструкторы Mindstorms NXT и Mindstorms EV3

Собственная среда программирования разработана специально для учеников 5–9 классов, а сам конструктор основан на деталях серии LEGO Technic и достаточно сложной электронике, не совместимой с открытыми робототехническими платформами. Конструктор представлен базовым и ресурсным набором. В первый входит контроллер EV3 Intelligent Brick, три сервомотора и два датчика касания, датчик цвета, гироскоп, ультразвуковой датчик, кабели и 500 пластиковых деталей [3].

Конструктор Mindstorms EV3 обладает широкими возможностями для творчества благодаря совместимости с другими конструкторами LEGO и представляет собой комплексное решение для обучения подростков основам робототехники. Он позволяет собирать высоко детализированные уникальные модели роботов самого разного назначения. К недостаткам Mindstorms EV3 можно отнести небольшую мощность сервомоторов, достаточно хрупкие детали и соединения, а также высокую стоимость.

LEGO WeDo

LEGO Education WeDo 2.0 усовершенствованная модификация предназначена для детей старше 7 лет. Базовый набор LEGO Education WeDo 2.0 позволяет собирать автономные модели, работающие от 2 батареек ААА. Взаимодействие со стационарным компьютером или мобильным устройством происходит по беспроводному модулю Bluetooth. В наборе имеется программируемый модуль SmartHub 2.0, датчик наклона и датчик движения, электромотор, 280 пластиковых деталей, бесплатное ПО стартового уровня и пособие для учителя. Набор позволяет собрать 16 программируемых моделей. (Рисунок 2).

Рис. 2. Набор LEGO Education WeDo 2.0

Графическая оболочка программного обеспечения, по сути, представляет собой виртуальный конструктор LEGO, где программирование происходит в виде игры. Если ребенок знаком с компьютерными играми серии «LEGO», работа с программой не составит особого труда. Имеется возможность циклического программирования, создания алгоритмических ветвей. К примеру, моторчику можно задать мощность и направление вращения, ввести звуковые сигналы и вывод сообщений на экран компьютера или смартфона. Учебные материалы LEGO Education на сегодня являются лучшими пособиями по робототехнике, механике, физике, математике для начальной школы, то есть для учащихся 1–4 классов [4]. Главное преимущество роботизированных конструкторов LEGO, как и классических пластиковых, заключается в простоте сборки. Пятилетний ребенок действительно легко соберет каркас робота, но правильно подключить провода без помощи взрослого, скорее всего, не сможет. Конструкторы серий WeDo будут интересны детям 7–10 лет.

Fischertechnik Robotics

Fischertechnik Robotics — это «продвинутая» игрушка, цель которой обучить ребенка механике, электротехнике, химии, физике и программированию. В составе наборов конструктора есть множество элементов, позволяющих собирать совершенно невероятные вещи из области cхемотроники: ионисторы, пневматические приводы, электрохимические суперконденсаторы. Из наборов специальных серий, например, «Экологическая энергетика», можно собрать целое производство, например, электромобиль с заправочной станцией, настоящий водородный топливный элемент или электростанцию на солнечных батареях. Развлекательный и образовательный проект Fischertechnik Robotics охватывает широкую аудиторию пользователей — от школьников младших классов до студентов и является самым популярным роботизированным конструктором в Европе. «Материальная» часть конструктора базируется на оригинальной детали, обеспечивающей соединение элементов по типу «ласточкин хвост». Таким образом, детали могут крепиться друг к другу по всем 6 граням [4].

Рис. 3. Робототехнический конструктор Fischertechnik Computing Experimental

Основой роботизированных моделей является программируемый контроллер ROBOTICS TXT, состоящий из главного 2-х ядерного процессора ARM Cortex A8, периферийного процессора Cortex М3, встроенного динамика и 2,4’’ цветного сенсорного дисплея. Контроллер оснащен оперативной памятью 128 Мб, модулями WiFi и Bluetooth, имеет 8 универсальных и 4 счетных входа для подключения периферийных устройств, 4 выхода для подключения моторов — сервоприводов Программирование может осуществляться беспроводным способом или с помощью USB кабеля через мобильные устройства и персональный компьютер.

Как и любой детский конструктор, Fischertechnik Robotics обладает своими плюсами и минусами. К преимуществам можно отнести следующие особенности:

— простая, удобная сборка

— бюджетная и продвинутая модели контроллеров

— наличие в наборах видеокамеры

— легкий и понятный интерфейс программирования

— полная совместимость наборов позволяет неограниченное расширение парка роботов

— средний диапазон цен

К недостаткам можно отнести отсутствие во всех наборах аккумуляторов и зарядных устройств — они приобретаются отдельно и всего одна модель человекообразного робота (видеооператор). Этот конструктор в большей степени учебное пособие, развивающее в детях любовь к наукам, инженерии и механике.

VEX

Конструктор выпускается в наборах 3 серий: VEX IQ, VEX EDR и VEX Pro. Первая представляет собой базовые наборы для школьников, помогающие детям старше 10 лет совершить первые шаги в мире робототехники. Каждый набор включает в себя пошаговую иллюстрированную инструкцию по созданию первого робота и подготавливает к более серьезному конструированию на базе наборов VEX EDR (Рисунок 4).

«Сердце» робота — контроллер VEX IQ Robot Brain на основе процессора Cortex ARM, оборудованный LCD дисплеем и 12 портами для подключения моторов и датчиков. Роботы управляются через ПДУ VEX IQ Controller, дизайн которого повторяет классический джойстик игровой приставки. Коробки с наборами серии выполнены в бело-синем цвете и, кроме электронных блоков, содержат пластиковые строительные элементы [4].

Рис. 4. Образцы моделей роботов из наборов VEX IQ Starter Kit

В стартовый набор входят электронные компоненты: гироскоп, ультразвуковой датчик измерения расстояния, датчик определения цвета, датчик касания, сенсорный светодиодный индикатор.

К достоинствам данного конструктора можно отнести достаточно широкие возможности при разработке роботов. Конструкторы VEX содержат больше портов контроллера (12), больше конструктивных элементов. Недостатками являются высокая стоимость конструктора и ограничения прошивки контроллера.

Роботы, основанные на печатной плате.

Второй большой группой роботов считаются роботы, основанные микроконтроллерах и печатных платах. Функционал данного вида роботов очень широк. Так как печатные платы применяются не только для конструирования роботов, но и для создания моделей и проведения экспериментов в области электроники, автоматики и автоматизации процессов. Преимущества данного вида конструкторов заключается в низкой стоимости набора, относительной простоте сборки и разработки программ. Наборы отлично подходят для изучения принципов работы входящих в него компонентов и датчиков.

Основой таких наборов является процессор, способный загрузить программу, которая будет управлять всеми устройствами по заданному алгоритму. Таким образом можно создать бесконечное количество уникальных устройств, сделанных своими руками и по собственной задумке.

В настоящее время среди контроллеров, используемых в робототехнике, выделяются Arduino UNO и BBC Micro: bit.

Arduino Uno контроллер построен на ATmega328. Платформа имеет 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC/DC или батареи (Рисунок 5).

Рис. 5. Контролер Arduino UNO

Arduino Uno — отличный вариант платы для создания проектов и умных устройств. 14 цифровых и 6 аналоговых пинов позволяют подключать разнообразные датчики, светодиоды, двигатели и другие внешние устройства. USB-разъем поможет подключиться к компьютеру для перепрошивки скетча без дополнительных внешних устройств. Встроенный стабилизатор позволяет использовать различные элементы питания с широким диапазоном напряжения, от 6–7 до 12–14 В. В Arduino Uno достаточно удобно реализована работа с популярными протоколами: UART, SPI, I2C [5].

Micro:bit — это компактный самодостаточный микрокомпьютер для обучения программированию на JavaScript и MicroPython. Плата разработана компанией BBC для проведения уроков в младших классах. Плата интерактивна и проста в освоении. Знакомство с micro:bit можно начинать с семи лет. Яркие светодиоды, программируемые кнопки и встроенный набор датчиков позволяют создавать устройства без использования дополнительных модулей. (Рисунок 6).

Рис. 6. Контроллер Micro:bit.

Инженеры BBC встроили в плату набор сенсоров датчик движения объединяет в себе акселерометр и компас, которые в ранних ревизиях платы стояли раздельно. Акселерометр показывает положение платы в пространстве, работает шагомером и реагирует на встряхивание, а компас (магнитометр) можно использовать в роли датчика Холла или детектора металла и скрытой проводки. Термометр определяет температуру окружающей среды — он встроен прямо в контроллер.

На обратной стороне платы собрана матрица из 25 красных светодиодов. На нее выводятся буквы, бегущие строки или простая пиксельная анимация. Девять из них используются в качестве сенсора уровня освещенности.

Для управления платой предусмотрены три кнопки: Reset используется для перезагрузки платы, а назначение программируемых кнопок A и B задается пользователем [5].

Основополагающими факторами при выборе конкретного робототехнического конструктора для занятий, безусловно являются возрастные особенности обучающихся и финансирование того или иного учебного заведения. Также важно отметить тот факт, что к использование робототехнических конструкторов может быть актуально на начальных этапах изучения дисциплины, так как их использование развивает навыки сборки моделей, знакомит обучающихся с основными возможностями, принципами работы и программированием собираемых устройств. В дальнейшем целесообразнее использовать наборы на основе макетных и печатных плат в виду того, что такие модели имеют больший потенциал при конструировании и программировании, а также развивают в большей степени творческие и созидательные способности учеников.

Что касаемо целей обучения и непосредственно самого учебного плана курса, то выбор конкретного конструктора или контроллера влияет лишь на построение учебного процесса во время занятия, так как робот в данном случае выступает в качестве технического средства обучения. Поскольку сама цель не предполагает изучение конкретного вида робота, а формулируется таким образом, чтобы учащиеся изучили возможности и особенности каких-либо датчиков, способы передвижения и т. д., а принципы работы изучаемых датчиков и моторов по большому счету остаются неизменными, то использование любого доступного конструктора или контроллера можно считать оправданным.

Литература:

1. Учебные программы по предметам образовательной области «Информатика» уровня основного среднего образования (5–9 классы), МО и Н РК, НАО им.Ы. Алтынсарина, Астана 2013г., утвержденных приказом Министра образования и науки Республики Казахстан № 115 от 3 апреля 2013 года
2. Лукинов, А. П. Проектирование мехатронных и робототехнических устройств / А. П. Лукинов. — Санкт-Петербург: Лань, 2012. — 605 c. — Текст: непосредственный.
3. Филипов С. А. Уроки робототехники / С. А. Филипов. — Москва: Лаборатория знаний, 2017. — 176 c. — Текст: непосредственный.
4. Конструкторы роботы. — Текст: электронный // https://fanclastic.ru/: [сайт]. — URL: https://fanclastic.ru/konstruktory-roboty.html (дата обращения: 04.05.2021).
5. Tinkercad Arduino. — Текст: электронный // https://arduinomaster.ru/: [сайт]. — URL: https://arduinomaster.ru/program/simulyator-arduino-tinkercad-circuits/#__Arduino (дата обращения: 04.05.2021).