LEGO Mindstorms: история «интеллектуального кирпичика»

В 1998 году профессор Массачусетского технологического университета (MIT) Сеймур Паперт (Seymour Papert) и компания LEGO представили первый «интеллектуальный модуль» LEGO и робототехнический набор Mindstorms. Спустя десятилетие это изобретение перевернуло представление об обучении, о творческих способностях учеников и преподавании естественно-научных и точных дисциплин во всем мире.

А началось все с того, что Кирк Кристиансен, глава компании LEGO и внук ее легендарного основателя, всерьез занялся развитием новой линии конструкторов, основанных на использовании пневматики и двигателей. Увидев телевизионное интервью профессора MIT Паперта, в котором ученый рассказывал о новом языке программирования для детей Logo, Кристиансен был поражен и воодушевлен тем, насколько такой подход к обучению соотносится с ценностями компании LEGO.

Изобретение Паперта позволяло управлять роботом-черепахой — двигать его вперед и назад, поворачивать, проходить заданное расстояние. Ребята самостоятельно создавали разнообразные программируемые конструкции и механизмы, например всплывающий тостер, «фабрику шоколадно-рожкового дерева», машину для сортировки кирпичиков LEGO по длине или кровать, которая автоматически сбрасывает человека на пол, когда солнце светит утром через окно. Работая над подобными проектами, они экспериментировали, приобретали навыки конструирования и программирования, рассчитывали величины и силу трения и учились многому другому.

Так в 1980-х родилось плодотворное и долговременное партнерство компании LEGO и лаборатории Media Lab в Массачусетском технологическом университете. Разработкой первых программируемых устройств занимались Митч Резник и Стив Око. Тогда же появился прототип Mindstorms, благодаря которому дети проектировали собственные конструкции, а не только занимались с готовой «машиной».

Как и ранние версии робота, программируемые конструкции LEGO по-прежнему соединялись с компьютером проводами. Поэтому Паперт задался вопросом, можно ли создать кирпичик LEGO, который мог бы служить компьютером и стать полностью автономным. По задумке ученого он должен быть дешевым, маленьким и достаточно легким, чтобы носить его с собой.

И идея вызрела. В январе 1998 года робототехнический конструктор Mindstorms был представлен в Королевском колледже искусств в Лондоне. Официальный запуск состоялся в сентябре, и уже к 1 декабря вся партия робототехнического набора была распродана. В основе первой версии лежал программируемый блок, или «интеллектуальный модуль».

С 1998 года LEGO активно развивает и совершенствует свое изобретение. В 2006-м компания выпустила Mindstorms NXT, а в 2013 году появилось третье поколение — Mindstorms EV3.

Первая версия программируемого блока называлась RCX (Robotic Command eXplorers). Программирование осуществлялось с использованием кодов RCX или RoboLab, которые основывались на языке LabVIEW. У RCX был процессор на 16 МГц с 32K ARM. В дополнение к модулю набор также включал два двигателя, два сенсорных и один светочувствительный датчик.

Набор NXT содержал три сервопривода, по одному световому, звуковому и сенсорному датчику и датчик расстояния. В NXT 2.0 был добавлен еще один сенсорный датчик. У программируемого блока был процессор на 48 МГц с ARM7 на 64 Кбайта. Версия NXT стала триумфатором национальных и международных робототехнических состязаний. Без этого «интеллектуального кирпичика» не обходилось теперь ни одно соревнование, в частности ежегодная Всемирная олимпиада роботов или международная программа First LEGO League, которая объединяет сегодня более 80 стран мира.

Сердце третьей версии набора — микрокомпьютер EV3, управляющий моторами и датчиками. Он обеспечивает связь микрокомпьютера EV3 и персонального компьютера или планшета по радиоканалам Bluetooth и Wi-Fi, а также способен регистрировать экспериментальные данные. Микрокомпьютер совместим с мобильными устройствами и питается от батарей типа АА или аккумуляторной батареи EV3.

Программируемый блок EV3 последнего поколения базируется на операционной системе Linux и имеет процессор на 300 МГц и ARM9 на 64 Мбайта оперативной памяти плюс флеш-память на 16 Мбайт. Получается, что по сравнению с предыдущей версией NXT частота процессора выросла в 6 раз, а ARM в 1024 раза. Также у EV3 имеется разъем USB и слот Micro SD.

Образовательное решение LEGO Mindstorms Education EV3 помогает будущим инженерам и робототехникам создавать программы, используя среду графического программирования LabVIEW, и содержит два больших и один средний двигатели, два сенсорных, цветовой, гироскопический и сверхзвуковой датчики.

Разработчики LEGO Mindstorms Education EV3 позаботились о том, чтобы платформа поддерживала разные языки программирования: LabVIEW, Open Roberta Lab, CoderZ, RobotC, Swift Playground компании Apple. При работе с EV3 педагог может выбрать разные предметные и тематические комплекты заданий, например «Физические эксперименты EV3» или «Космические эксперименты EV3».

Стоит отметить отличия наборов для розничной продажи и школ. Помимо кирпичиков LEGO, моторов, датчиков и сенсоров, наборы для обучения включают учебно-методические материалы для педагогов, вводные ознакомительные задания и детальные планы занятий, примеры проектных работ. Материалы позволяют педагогу с любым уровнем подготовки по программированию и робототехнике интегрировать работу с Mindstorms в учебный план.

С помощью LEGO Mindstorms Education EV3 ребята постигают работу различных механизмов, базовые принципы программирования, воплощают в жизнь различные инженерные решения.

Теперь сложные понятия из курса физики, математики или информатики дети могут разбирать на практике. Например, в состав учебных материалов LEGO Mindstorms Education EV3 входит комплект заданий «Физические эксперименты EV3» из 14 лабораторных работ по таким темам, как механика и динамика, сила и энергия, оптика и термодинамика.

Вспомните, из чего состоят уроки технологии в современной российской школе? Часто они не соотносятся с реальной жизнью и не учат детей решать конкретные практические задачи. Робототехнические наборы для основной школы LEGO Mindstorms Education EV3 призваны решить эту проблему, предоставив педагогу увлекательный, практико-ориентированный и универсальный инструмент. Он с легкостью свяжет теоретическую часть предмета с осязаемыми примерами из реальной жизни.

EV3 — это также простой и наглядный инструмент для преподавания математики. Пользуясь практическими робототехническими решениями, учащиеся составляют простые последовательности управляющих кодов и команды, которые на примере устройств ввода-вывода сигналов демонстрируют, к примеру, причинно-следственную связь. С помощью инструментов, заставляющих работать интуицию и строить предположения, ученики получают опыт формулирования гипотез.

Так реализуется теория STEM-обучения, которая помогает лучше усваивать различные дисциплины благодаря практическому применению. Учащиеся используют знания по математике и физике, на практике работают с такими понятиями, как физические ограничения, единицы измерения, системы координат, минимальные, максимальные, средние значения и линейные характеристики.

Профессор Массачусетского технологического университета Митч Резник разрабатывал теорию практического обучения, которая легла в основу современного представления о STEAM-образовании. В основе STEAM-обучения (S — Science, T — Technology, E — Engineering, A — Art, M — Mathematics) лежат практико-ориентированный и междисциплинарный подходы, при которых ученики применяют знания из разных областей для решения конкретной задачи. Наиболее часто STEAM-подход используется при изучении математики, физики и робототехники.

«Программирование не только для компьютерных умников, оно для всех», — утверждает Резник. Возглавляемая им Media Lab в МIT исследует влияние детской игры на процесс обучения. Выступая на международных симпозиумах и конференциях, Митч рассказывает, почему в современном мире именно программирование учит детей учиться.

Конструктор Mindstorms, который стоял у истоков образовательной робототехники, сегодня имеет десятки тысяч поклонников по всему миру. Возможно, все дело в том, что программирование с EV3 осуществляется при помощи специальной графической программы, которая интуитивно понятна и прекрасно подходит для обучения детей азам робототехники.

Увлечение робототехникой уже давно вышло за рамки школ. Юные инженеры с помощью Mindstorms создают удивительные приспособления и механизмы. Например, 12-летний калифорнийский школьник Шубхам Банерджи собрал принтер Брайля из конструктора LEGO Mindstorms Education EV3. Робот, названный юным изобретателем BRAIGO, способен наносить буквы алфавита в виде тактильных точек на рулоне бумаге. В качестве принтерной головки используются канцелярские кнопки.

18-летний житель Андорры Давид Агилар, родившийся с недоразвитой правой рукой, создал протез конечности из конструктора LEGO по форме своего предплечья. По мере дальнейшей сборки каркас фиксируется все крепче, и это не дает ему соскальзывать. Молодой человек, осваивающий вторую ступень старшего школьного образования технической направленности, также интересуется компьютерными технологиями и робототехникой. Давид мечтает создать компанию по производству протезов в соответствии с индивидуальными потребностями каждого клиента.

С Mindstorms выросло уже несколько поколений юных инженеров и талантливых робототехников, а теория STEM-обучения, предложенная Митчем Резником, доказала свою состоятельность. Время не стоит на месте, и теперь у педагогов есть незаменимый инструмент LEGO Mindstorms Education EV3 для объяснения практически любой абстрактной темы.



МАКСИМ ВАСИЛЬЕВ, президент Международной ассоциации спортивной и образовательной робототехники (МАСОР), председатель Национального совета Всемирной робототехнической олимпиады (WRO), главный тренер сборной по олимпиадной робототехнике Москвы

Решая любую производственную или бытовую задачу, человек использует знания из многих областей. Такой подход полезен и нужен современной школе. STEAM-образование сегодня активно применяется в России, но зачастую педагогам привычнее использовать другие термины, например «проектная деятельность».

Постепенно мир уходит от образования в рамках отдельных предметов, и это неслучайно. Образование лишь для передачи информации утратило актуальность. Сегодня любой школьник может зайти в Интернет и найти необходимые или недостающие сведения о предмете исследования. А уметь этой информацией воспользоваться, применить ее на практике — вот правильное назначение образования. И робототехника для этого идеальный инструмент.



СЕРГЕЙ МУСТАФИН, учитель информатики СОШ № 1207, эксперт РАОР (Российская ассоциация образовательной робототехники), член Научно-экспертного совета Всероссийской робототехнической олимпиады, тренер московской сборной и команд-победителей и призеров российских и международных состязаний

Применимо ли STEM-образование в российских школах? Считаю, что да. Сегодня вся система движется именно в этом направлении, и в последней версии ФГОС говорится о нем же, но другими формулировками. Для российского учителя STEM-технологии — это в первую очередь новые инструменты, которые могут применяться в смежных областях знаний.

STEM — это возможность для учителей пользоваться новыми технологиями для изучения информатики, математики, физики. Эти инструменты уже распространены в российских школах, но еще не всем педагогам хорошо знакомы. В марте этого года проходил этап олимпиадных соревнований по информатике, в ходе которых учителям предлагалось выполнить тематическое задание. После девятичасового хакатона многие педагоги говорили, что робототехника — это очень правильный и эффективный инструмент, который даст толчок для использования новых инструментов в педагогической деятельности.