Сравнительный анализ технических особенностей робототехнических наборов Lego Wedo, Lego Mindstorms Ev3, Lego Spike Prime и возможностей их использования в системе дополнительного образования

В статье представлен сравнительный анализ робототехнических наборов LEGO WeDo, LEGO Mindstorms EV3, LEGO Spike Prime, рассмотрены особенности их использования и даны рекомендации педагогам по выбору оптимального конструктора для проведения занятий в системе дополнительного образования. Статья будет интересна педагогам дополнительного образования, реализующим дополнительные общеобразовательные общеразвивающие программы по робототехнике, методистам.

П.М. Самибаева,
студент,
ФГАОУ ВО «Государственный университет просвещения»,
педагог дополнительного образования,
ГБОУ ДО ЦРТДЮ «Пресня»,
г. Москва

В Федеральном законе «Об образовании в Российской Федерации» дополнительное образование определено как вид образования, направленный на формирование и развитие творческих способностей детей и взрослых, удовлетворение их индивидуальных потребностей в интеллектуальном, нравственном и физическом совершенствовании, формирование культуры здорового и безопасного образа жизни, укрепление здоровья, а также на организацию их свободного времени [7].

Возникает вопрос, почему же изучение робототехники рассматривается в системе дополнительного образования как одно из приоритетных? Попробуем разобраться в его значимости для современных детей, а также содержательных и технических особенностях различных направлений робототехники.

Сложность современного технологического мира актуализирует необходимость начинать адаптацию детей к современным технологическим ресурсам возможно в более раннем возрасте. Очень важно изучать компьютерные технологии, так как они развивают идеи программного обучения, открывают новые и еще неисследованные варианты технологического обучения.

Образовательная робототехника – это инструмент, закладывающий прочные основы системного мышления, через интеграцию информатики, математики, физики, черчения, технологии, моделирования, естественных наук с развитием инженерного творчества [6]. Робототехнические конструкторы чаще всего используются в системе дополнительного образования (не считая отдельного модуля по дисциплине «Труд (технология)» ФГОС основного общего образования).

На современном рынке представлено множество вариантов конструкторов для занятий в области робототехники:

1. LEGO WeDo 1.0
2. LEGO WeDo 2.0
3. LEGO Mindstorms EV3
4. LEGO Spike Prime.

И педагогу, зачастую, сложно определиться с выбором конструктора, который будет наиболее эффективен для организации учебного процесса и достижения высоких образовательных результатов.

Попробуем проанализировать технические особенности робототехнических наборов, заявленных в указанном перечне, и возрастные особенности их применения.

Робототехнический набор LEGOWeDo 1.0 включает в себя 2 датчика (наклона и расстояния), 1 коммутатор, 1 мотор и 152 детали для конструирования. Коммутатор работает от провода USB, программное обеспечение блочное и интуитивно понятное (Рис. 1).

Робототехнический набор LEGOWeDo 2.0 является улучшенной версий LEGO WeDo 1.0. В набор входит 2 датчика (наклона и расстояния), 1 мотор, 1 коммутатор (далее – Хаб), который не имеет провода и подключается по Bluetooth 4.0. Количество деталей для конструирования также изменилось, теперь их 250. Программное обеспечение также блочное, но с обновленным интерфейсом (Рис. 2).

Робототехнический набор LEGOMindstormsEV3 (далее – EV3) использует восемь портов – четыре порта для моторов и четыре порта для датчиков. Микрокомпьютер работает от шести батареек АА, либо же от отдельного заряжаемого аккумулятора. Дисплей микрокомпьютера имеет черно-белый экран и для того, чтобы узнать информацию о подключении моторов и датчиков, необходимо около четырех действий, что затрудняет задачи для детей младшего школьного возраста. Загрузка программы на микрокомпьютер требует около 30 секунд [2].

Следующее на что стоит обратить внимание – это моторы: EV3 имеет два больших мотора и один средний. В них имеется устройство для измерения характеристик вращающихся объектов, но они менее точные, так как ошибки при движении робота возможны.

В наборах EV3 также имеются четыре датчика:

1. датчик ультразвука измеряет расстояние до объекта издавая ультразвуковые колебания (расстояние измерения составляет от 3 до 255 см);
2. датчик цвета различает 7 цветов, распознает уровень освещенности окружающей среды и определяет интенсивность отраженного света;
3. гироскопический датчик позволяет получить информацию о движении робота, а также показывать малейшие изменения движения и положения робота (но при этом у него есть проблемы с отклонением и задержкой);
4. датчик касания имеет три положения – отпущен, нажат и щелчок; благодаря данному датчику возможно выполнить такие задания, как лабиринт, сумо и многие другие.

При работе с датчиками нужно отметить, что они требуют калибровки для точной работы, что может занять некоторое время.

Следующий объект для анализа – программное обеспечение: EV3 использует программное обеспечение LabView (Рис. 3), которое является мощным, но сложным для начинающих изучение, а также для детей младшего школьного возраста. Программное обеспечение позволяет писать программы с помощью блочного программирования, но является громоздким, что может усложнить процесс использования. То есть, LabView является менее интуитивно понятным для изучения и использования, так как необходимо иметь определенный уровень знаний.

Но, программировать также можно в программном обеспечении Classroom (Рис. 4) – это визуальная среда программирования на базе Scratch, которая позволяет изучать программирование во время работы над проектами [1]. Программы визуально негромоздкие, приятные и понятные для восприятия.

Блочное программирование в большей части используется с детьми младшего школьного возраста, но EV3 позволяет программировать на языке Python. Это не только удобно при работе с робототехническими наборами, но и помогает углубить знания в области программирования.

Робототехнический набор LEGO Mindstorms EV3 используется в основном для традиционных типов занятий по робототехнике, опирающихся на изучение теории и программирование. Это позволяет обучающимся в дальнейшем участвовать в соревнованиях и конкурсах по робототехнике и программированию, так как базовые навыки, умения и навыки у них сформированы.

Робототехнический набор LEGO Spile Prime (далее – Spike) пришел на замену EV3 в начале 2020 года и стал не только продолжением робототехнической линейки, но и одновременно скачком в образовательной робототехнике. Данный набор предоставил новые возможности для проектирования, конструирования и программирования, а наряду с этим упростил процесс обучения программированию и инженерии для более простого и интуитивного пользования.

Внешний дизайн имеет современные яркие цвета, которые визуально привлекают детей младшего школьного возраста. Цветовая палитра состоит из фиолетового, синего и желтого, что удобнее для сборки роботов детям данного возраста. В сравнении с EV3, Spike стал легким, приятным, необременительным и компактным в использовании. Детали в наборе стали компактнее, проще в соединении, появилась возможность собирать сложные модели быстрее, чем EV3.

Внутреннее наполнение также отличается: в Spike внесли изменения в Хаб, который является «головным мозгом». Основные изменения, которые были внесены — это порты. В Spike всего шесть портов, но они поддерживают как датчики, так и моторы. То есть, теперь можно подключить к Хабу 6 моторов, или 6 датчиков. Spike имеет встроенный аккумулятор, что увеличивает время работы Хаба, параллельно работая с роботом и заряжая его от USB провода, также как порт загрузки. Необходимо отметить, что это не единственное изменение Хаба: теперь он оборудован цветным дисплеем, который отображает все возможные статусы системы, например, уровень заряда батареи, подключение моторов и датчиков и так далее. После внесения изменений Spike стал намного информативнее и удобнее в использовании. Загрузка программы на Хаб требует около 5 секунд [2].

Spike имеет один большой мотор и два маленьких. Они стали точнее благодаря улучшенному встроенному специальному устройству для измерения характеристик вращающихся объектов – энкондеру. Теперь моторы точно отслеживают положение и скорость с минимальными ошибками в движении. Это полезно для решения сложных задач, которые требуют точности. Следует заострить внимание на то, что моторы самостоятельно возвращаются в нулевую позицию (она обозначена белыми рисками на самих моторах). Это позволяет считать количество оборотов, что облегчает работу. Необходимо еще акцентировать внимание на то, что моторы Spike стали менее мощные, но при необходимости увеличения крутящего момента можно увеличить передаточное отношение.

Также в наборе Spike имеются датчики (три отдельных и один встроенный):

1. Датчик расстояния по сравнению с EV3 более точнее и надежнее в использовании за счет того, что Spike добавили четыре светодиода, которыми можно управлять с помощью программы. Датчик расстояния измеряет на расстоянии от 1 см до 200 ми. Важно отметить, что несмотря на меньший диапазон измерения расстояний, его точность проведения измерений значительно выше, чем у EV3.
2. Датчик цвета распознает 8 цветов и точно также, как и EV3, определяет уровень освещенности, окружающей среды и определяет интенсивность отраженного света.
3. Датчик касания теперь умеет определять силу нажатия в Ньютонах (от 0 до 10) или процентах. Определяемых состояний также три – отпущено, нажато, щелчок.
4. Гироскопический датчик с шестью осями и акселерометром встроен в Хаб, что позволяет создать минимальное отклонение и задержку.

При работе с датчиками их не нужно калибровать, так как они изначально точно работают с минимальными ошибками.

Конструктивные изменения: в робототехнический набор Spike были добавлены новые рамы, сокращающие время сборки, добавлен кубик 2х4 с отверстием для осей, что позволяет соединять детали между собой в одном проекте. Обновление коснулось базовых пластин, широкие колеса были заменены на узкие, которые повышают маневренность робота, также еще добавлено поворотное колесо. Для удобства работы добавлены зажимы для проводов для их аккуратного проведения.

Одним из следующий преимуществ Spike является гибкость в конструировании робота: обучающиеся могут за короткое время собрать робота для одной задачи и также за короткий промежуток времени перестроить его под другую задачу. Это позволяет сэкономить время, изучить больше материала и позволяет добавить больше времени на практическую часть занятия.

Программное обеспечение позволяет работать с блоками (Рис. 5), словами, как Scratch (Рис. 6) и Python (Рис. 7). Визуальные блоки проще передвигать, соединять, менять местами и в целом взаимодействовать с ними.

Благодаря вышеперечисленным робототехническим конструкторам обучающие осваивают окружающий их мир и открывают для себя инженерные решения. Все проекты, которые они разрабатывают, всегда будут иметь определенный уровень актуальности и реализма, чтобы обучающиеся смогли перенести полученный опыт в свою практическую деятельность [3].

С учетом вышеперечисленных технических особенностей разных робототехнических набором рассмотрим учебно-тематические планы (и краткие комментарии к ним) дополнительных общеобразовательных общеразвивающих программ (далее – программа) (Таблицы 1-3).

Программа по робототехнике с использованием робототехнического набора LEGO WeDo 1.0 и LEGO WeDo 2.0 позволяет детям младшего школьного возраста изучать основы механики и конструирования, а также изучать принципы работы мотора, датчиков. К концу учебного года, обучающийся по данной программе сможет самостоятельно определять тип передачи, различать их, самостоятельно конструировать модели, используя изученные механизмы, а также программировать.

Важно подчеркнуть, что в рамках освоения программы обучающиеся изучают не только работу моторов и датчиков, но и параллельно осваивают основы механики. Это необходимо для:

1. практического применения при конструировании роботов, а также наглядного освоения обучающимися основ механики;
2. организации интерактивного обучения, что делает процесс изучение основ механики более увлекательным, интересным и наглядным, помогает обучающимся лучше усваивать материал;
3. интеграции таких дисциплин как физика, математика, информатика, что позволяет обучающимся понять, как данные науки связаны между собой.

Программа предусматривает самостоятельное проектирование обучающимися роботов, поэтому подходит для обучающихся как младшего, так и для старшего школьного возраста.

Программа по робототехнике с использованием робототехнического набора LEGO  Spike Prime  позволит обучающимся младшего школьного возраста последовательно изучать материал, начиная с основ и постепенно переходя к сложным темам.

Данная программа ориентирована на использование проектной деятельности: обучающиеся создают собственные проекты, что повышает у них интерес к занятиям, способствует развитию креативного и критического мышления. Также в содержание программы включены «межпредметные дисциплины», что позволит развивать у обучающихся аналитическое мышление, формировать алгоритмы решения проблем, а также понимание взаимосвязи дисциплин. В результате они легче адаптируются к изменениям в технологиях и научных подходах.

Подводя итоги, можно отметить, что если у педагогов дополнительного образования появляется возможность выбора робототехнического конструктора, то можно их систематизировать следующим образом:

1. LEGO WeDo 1.0 и LEGO WeDo 1.0 больше всего подойдут для обучающихся 1-3 классов;
2. LEGO Spike Prime ориентирован на обучающихся 4-6 классов;
3. LEGO Mindstorms EV3 будут интересны для обучающихся 7-11 классов.

Такой выбор и распределение позволит адаптировать образовательный процесс в системе дополнительного образования к возрастным особенностям и уровню подготовки обучающихся.

Списоклитературы:

1. Арарат-Исаева М.С. Структура курса «Основы программирования» для младших школьников в летнем пришкольном лагере // Вестник МГПУ. Серия: Информатика и информатизация образования. 2021. №1 [Электронный ресурс]. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/struktura-kursa-osnovy-programmirovaniya-dlya-mladshih-shkolnikov-v-letnem-prishkolnom-lagere (дата обращения: 03.10.2024).
2. Ефремова А.Г. Сравнительный анализ конструктора Lego Mindstorm EV3 и Lego Spike Prime // Актуальные вопросы и тенденции развития предметной области «Технология»: Сборник материалов IV Всероссийской научно-практической конференции (Москва, 01 апреля 2022 года). М.: ООО «ОнтоПринт», 2022. С. 59-61.
3. Ефремова А.Г. Формирование познавательного интереса к техническим видам творчества средствами робототехники: на примере конструктора Lego SPIKE PRIME // Актуальные вопросы и тенденции развития предметной области «Технология»: Сборник материалов III Всероссийской научно-практической конференции (Москва, 19 ноября 2021 года) / Редколлегия: отв. ред. М.Г. Корецкий, А.Н. Хаулин, Н.Н. Лавров [и др.]; сост. Н.П. Шпаков. М.: ООО «ОнтоПринт», 2022. С. 64-67.
4. Самибаева П.М., Михайлюк А.В., Корецкий М.Г. Изучение робототехники в системе дополнительного образования // Актуальные вопросы и тенденции развития предметной области «Технология»: Сборник материалов IV Всероссийской научно-практической конференции (Москва, 01 апреля 2022 года). М.: ООО «ОнтоПринт», 2022. С. 137-140.
5. Стадольник А.Ю. Профессиональная деятельность учителя информатики в условиях информатизации образования // Актуальные проблемы методики обучения информатике и математике в современной школе: Материалы международной научно-практической интернет-конференции (Москва, 18–24 апреля 2022 года) / под ред. Л.Л. Босовой, Д.И. Павлова. М.: МПГУ, 2022. С. 814-824.
6. Тулегулов А.Д., Ешпанов В.С., Тлеубаева А.О. [и др.] Практика преподавания курса «Робототехника» в образовательной среде LEGO Education // Цифровое образование: новая реальность: Сборник материалов Всероссийской научно-методической конференции с международным участием (Чебоксары, 16 ноября 2020 года). Чебоксары: ООО «Издательский дом «Среда», 2020. С. 207-210.
7. Федеральный закон от 29.12.2012 № 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» (ред. от 08.08.2024).