Робототехника дистанционно?
Последние два месяца самыми актуальными вопросами для преподавателей образовательной робототехники являются вопросы «Как работать?»
Я еще несколько лет назад начала рассматривать разные варианты для возможности проведения занятия по робототехнике с детьми 7-13 лет не только с реальными конструкторами, но и с использованием разных симуляторов и других инструментов. Нельзя сказать, что выбор доступных средств достаточно широк. Однако, за последнее время мы видим тенденцию развития данных направлений. Появляются новые платформы. Уже существующие платформы снижают плату за свое использование или делают использование бесплатным на определенный период.
Зачем?
При этом остается вопрос — зачем заниматься робототехникой «виртуально»?
Даже если есть возможность использовать реальные конструкторы (да простят меня приверженцы ардуино – я данные робототехнические конструкции тоже отношу к конструкторам), использование симуляторов и других инструментов компьютерного моделирования дает существенное развитие ребенку, открывает новые возможности.
- В виртуальных средах можно заниматься даже без оборудования, только имея компьютер и доступ в интернет.
- Владение инструментами САПР дает возможности для дальнейшего совершенствования моделей.
- Работа в виртуальных программных оболочках позволяет быстрее отлаживать различные программные алгоритмы, которые потом гораздо проще тестировать на реальных роботах (при наличии определенного опыта).
- Увлеченные дети могут дома в любое свободное время заниматься созданием конструкций, написанием кода, которые позже тестируют на занятиях в классе. При таком подходе усвоение материала проходит гораздо быстрее.
- В виртуальных средах можно проводить соревнования.
- На крупных соревнованиях возрастают требования к участникам — недостаточно только прийти на площадку и запустить собранного и настроенного дома робота.
- Проверяются знания участников в умении программировать роботов под измененные задачи.
- Оценивают процесс работы над проектом и то, что проект может быть «тиражируемым», т.е. другой участник при должной квалификации сможет создать такого же робота по вашей инженерной книге.
- Работа в симуляторах, САПР способствует развитию различных навыков, умений, компетенций. И способствует развитию кругозора.
Платформы для дистанционных занятий
Образовательная робототехника включает в себя две главные части:
- конструирование,
- программирование.
Систем автоматизированного проектирования (САПР), используемых в образовательной робототехнике, немало, и выбор инструмента зачастую зависит от робототехнической платформы, на которой работает преподаватель, возраста учащихся и целей занятий.
Системы САПР
САПР для LEGO
Например, для подготовки проектной документации для Lego существует несколько:
Самая простая, которая подходит для «быстрого старта» и простого изучения с детьми — LDD, другие CAD-системы может быть и сложнее для изучения и использования, но имеют больший функционал.
САПР для VEX
Для конструкторов VEX используют другие САПР. Наиболее популярная система на текущий момент SnapCAD для VEX IQ. Достаточно простая в использования, содержит библиотеку элементов VEX IQ, есть возможность создать свои детали и распечатать на 3D-принтере.
Если же вы проводите занятия на конструкторах «старших» серий VEX, то для проектирования можно использовать САПР с расширенным функционалом, такие как Inventor
САПР для других платформ
Для занятий с детьми «продвинутого» уровня, которые создают свои модели, проектируя и впоследствии изготавливая на 3D-принтерах и лазерных станках, можно использовать различные популярные САПР.
Например, работая в tinkercad, можно не только создать 3D-модель для изготовления, но и создать виртуальную электронную схему с Arduino, которую потом и запрограммировать, и посмотреть работу в симуляторе. Таким образом, данная платформа удачно объединяет все возможности для виртуальной работы.
Виртуальные симуляторы роботов
Однако, и работая с другими робототехническими конструкторами, можно использовать симуляторы, где можно отрабатывать как простые, так и сложные действия. В основном, все симуляторы, обладающие расширенным функционалом (возможностью создавать физическую среду, загружать собственные полигоны и модели роботов), можно назвать «условно бесплатными», т.е. у них есть или бесплатный период использования, или бесплатный период предоставляется сейчас, ввиду сложившейся ситуации в мире.
Наиболее известные в данной категории симуляторы:
- Симуляторы Virtual Robotics Toolkit https://www.virtualroboticstoolkit.com/
- Импорт моделей из LEGO Digital Designer
- программирование EV3G
- есть базовые симуляции (полигоны)
- есть обучающие видео
- Симуляторы Robot Virtual Worlds — LEGO 4. x (RVW) http://www.robotvirtualworlds.com/download/
- Для NXT, VEX, Tetrix & Lego
- Есть базовые полигоны и полигоны с соревнований
- Есть возможность импорта предметов для полигонов
- Предусмотрена возможность создания собственных полигонов
Отдельно стоит отметить среду программирования роботов с интерактивным режимом имитационного моделирования TRIK Studio https://trikset.com/products/trik-studio.
- Отечественная разработка на русском языке
- Реализовано для конструкторов ТРИК, Lego Mindstorms и квадрокоптеров «Пионер»
- Большая библиотека методических разработок
- Есть возможность загрузки собственных полигонов
- Визуальный язык программирования + текстовые языки
На данный момент разработчики предложили новый продукт TRIK Studio Junior, бесплатную среду программирования с «Исполнителем» для младших классов. Возможность загрузки кода в реального робота не предусмотрена.
У разработчиков TRIK есть огромное преимущество перед зарубежными аналогами – бесплатность и огромное количество методических материалов, позволяющих начинать работать, практически не имея базовой подготовки.
Однако, и у зарубежных разработчиков есть неплохие, простые, бесплатные симуляторы, позволяющие изучать робототехнику легко и просто.
Разработка немецких программистов Open Roberta Lab https://lab.open-roberta.org, созданная в 2002 году специально для популяризации робототехники. Предусмотрена возможность программирования Lego Mindstorms, WeDo 2.0, micro:bit и других платформ. Не для всех платформ есть симуляционные среды. Среда очень простая и позволяет начать программировать людям без специальных технических знаний. Есть возможность загрузки собственных 2d полигонов. Создатели платформы открыты к сотрудничеству и предоставляют возможность для расширения функционала.
Стоит также отметить интересную симуляционную среду для VEX IQ роботов https://vr.vex.com. Среда новая, недавно была русифицирована, что существенно облегчило работу с учащимися младшего возраста. Среда программирования скретч-подобная. Есть различные игровые поля, позволяющие отрабатывать алгоритмы разной сложности. Для ускорения обучения можно воспользоваться различными обучающими видео или уже готовыми примерами программ. Наличие маркера у виртуального робота, который может менять цвета, делает процесс обучения увлекательным и интересным, а педагог может давать различные задания, направленные на отработку движений робота, и при этом они будут оригинальными и нескучными.
Безусловно, рассматривая симуляторы в робототехнике, нельзя не отметить еще одну отечественную разработку от Центра робототехники из Владивостока – среду MUR IDE (Python), созданную для робототехнического конструктора Автономный подводный робот.
Обучающий курс можно посмотреть по ссылке.
Используя симулятор, можно подготовиться к различным соревнованиям, таким как ОНТИ, Олимпиада Innopolis Open и другие.
Также для подготовки к соревнованиям Innopolis Open и в качестве обучения на продвинутом уровне используют симулятор роботов CoppeliaSim. Познакомиться и научиться работать с данной платформой любой желающий может на серии вебинаров, которые провел методист по олимпиадной робототехнике Университета Иннополис Алексей Овсянников https://vk.com/videos-182653613?section=album_2. В симуляторе инструменты, позволяющие устанавливать физические характеристики среды, механизмы динамического моделирования, кинематику и другие параметры, наиболее приближающие движения робота в реальной среде.
>> Методические материалы специалистов Университета Иннополис по довузовскому образованию.
Игры
В заключении хотелось бы отметить ряд игр, направленных на развитие алгоритмического мышления и конструирование. К первым традиционно относят такие игры как Colobot и Ceebot, которые наверняка известны многим.
А для развития конструкторского мышления стоит рассмотреть игру Bad Piggies – для смартфонов и планшетов, в которую с удовольствием играют и успешно осваивают основы физики и конструирования и дошкольники, и взрослые.
