Станки, конвейеры и арт-роботы из Lego!

Станки, конвейеры и арт-роботы из Lego!

В конце февраля этого года в нескольких аудиториях Института развития образования (ИРО) в Екатеринбурге можно было наблюдать интересную картину: взрослые мужчины и женщины очень серьезно собирали разные конструкции из деталей LEGO. Они осваивали самые современные технологии обучения. Играючи.

Связать воедино обучение и игру — совместный проект «игрушечной» компании LEGO и MIT Media Lab, самого интересного подразделения Массачусетского технологического института, мирового лидера в научном и инженерном образовании. Сотрудничество началось более 20 лет назад и вылилось в разработку первых образовательных робототехнических платформ, которые позже стали известны как LEGO Mindstorms.

А все началось с наблюдения за детьми в детских садах. Обучение в них до сих пор остается одним из самых эффективных в мире, утверждает профессор MIT Митч Резник. Его группа в MIT Media Lab так и называется — «Детский сад навсегда» — и занимается исследованиями в области эффективных систем образования. Дети в детском саду постоянно заняты созданием чего-то нового, исследованием, изучением, экспериментированием. А в процессе они получают знания. Когда дети возводят башни из кубиков, они изучают основы строительства и понятие «стабильности». Рисуя — палитру цветов. Но, что самое главное, они учатся нестандартно мыслить. Они начинают понимать, говорит Митч Резник, что такое творческий процесс. Что значит начать с идеи и превратить ее в настоящий проект с конечным результатом.

Митчел Резник, физик, профессор Массачусетского технологического института, лауреат премии Гарольда Макгроу в области образования: «Умение сформулировать мысль, создать на ее основе готовое решение, модифицировать его, взаимодействовать с коллегами — все эти навыки жизненно необходимы для эффективного технического обучения».

Турнир по кубикам

К сожалению, после детского сада дети попадают в школы, в которых исповедуется другой подход к образовательному процессу. Ученики тратят огромное количество времени на работу с упражнениями, тестами, экзаменами, на лекции педагогов. В какой-то мере все это означает, что они перестают развиваться как творчески мыслящие личности.

Целью исследовательской группы Резника стала попытка адаптировать дошкольный образовательный опыт для всех возрастных групп учеников. Чтобы добиться этого, им необходимо было использовать новые образовательные инструменты и технологии. Но простых деревянных кубиков им было недостаточно.

Традиционные конструкторы и наборы для моделирования тоже не подходили — ученики должны были получить возможность очень быстро модифицировать конструкции и программное обеспечение, чтобы в пределах урока попытаться нащупать оптимальное решение. В итоге ученые остановились на конструкторе LEGO, дополнив его программируемыми блоками и ПО, основанным на языке LabView для промышленных роботов. Весь этот набор впоследствии поступил в продажу под названием LEGO Mindstorms.

Проверка боем этой «игрушечной» технологии прошла более 20 лет назад, когда MIT Media Lab организовала первые соревнования по робототехническому конструированию для студентов. В течение месяца конкурсанты могли использовать материалы и кубики LEGO, в том числе и уникальные программируемые блоки, чтобы создавать роботов, которым предстояло состязаться друг с другом. В частности, одним из заданий, предложенных студентам, было создание робота, который смог бы переместить шарики для пинг-понга с одного края стола на другой. Важным условием была полная автономность моделей: никакого дистанционного управления не допускалось.

На фото — фабрика по производству волчков, построенная по образу и подобию настоящего конвейера. Колесный кран перемещается вдоль линии, собирая детали с различных постов. На финальной стадии «производства» волчок раскручивается и отправляется в путешествие по столу.

Соревнования поразили организаторов. Такого энтузиазма, такого накала страстей, причем как со стороны участников, так и со стороны зрителей, аудитории MIT не видели давно, вспоминает с улыбкой Митч Резник.

Собирая и программируя робота, студенты изучали технологические, научные и математические концепты и понятия, такие как механическое взаимодействие, обратная связь, управление механизмами. «Но самое главное, что студенты научились навыкам творческого мышления, инженерного проектирования, тому, как сформулировать идею, довести ее до работающего прототипа, протестировать и внести необходимые изменения, — говорит Митч, — причем делали они это с невиданным энтузиазмом».

Сортировка мелких предметов по массе, размеру, магнитным свойствам или твердости лежит в основе множества технологических процессов в разных отраслях промышленности. Сортировочная камера из LEGO отличает футбольные мячи от баскетбольных так же точно, как промышленные машины отделяют гальку от гравия.

По результатам этого соревнования коллега Митча Фред Мартин, исследуя мотивацию и поведенческие особенности студентов, защитил докторскую диссертацию. Он установил, что наиболее успешными из участников стали те, кто полностью осознал алгоритм творческого подхода: это формулирование идеи, создание прототипа, его тестирование и модификация, взаимодействие с коллегами, оценка чужого опыта, внедрение при необходимости сторонних советов и идей. Именно такой подход стал залогом успешного выступления на соревнованиях.

Внедорожные машины — весьма сложный вызов для инженеров, так как бездорожье фактически представляет собой непредсказуемые и быстро изменяющиеся условия существования. Собрать машину, способную перебраться через хаотично набросанную кучу деталей, — типичное задание для краткого урока по LEGO.

Думай иначе

Полностью согласен с Митчем Резником и Морган Хайнц, профессор кафедры инженерии университета Тафтса, который прилетел в Екатеринбург, чтобы заразить местных педагогов своим энтузиазмом. «LEGO — с младенчества любимые игрушки детей и самый эффективный инструмент в инженерном образовании, — говорит 34-летний Морган. — У него очень низкий порог входа и очень высокий потолок, использовать LEGO можно как в детских садах, так и на первых курсах университета». Это ответ на вопрос, как на практике применить полученные знания, как искать альтернативные решения сложных задач.

Альтернативные решения — конек Моргана. На своих уроках он пытается расшевелить фантазию учеников, заставить взглянуть на проблему под другим углом. Профессор инженерии употребляет фразу think different («думай иначе»), кажется, не реже Стива Джобса после триумфального возвращения в Apple в 1997 году. Давайте за 45 минут придумаем, соберем и запрограммируем робота, который передвигается без колес! И через 45 минут по полу ползут, прыгают, перекатываются совершенно разные конструкции.

Инженеры Дэвид Гилдэй и Майк Добсон побили мировой рекорд по скоростной сборке кубика Рубика — не собственноручно, а с помощью робота Cube Stormer 3, собранного из деталей LEGO Mindstorms. Умственным трудом (анализ исходного состояния кубика и расчет алгоритма сборки) занимается 4-ядерный процессор смартфона Samsung Galaxy S4, а затем под руководством компьютерного блока Mindstorms EV3 сервоприводы воплощают план в реальность за невероятные 3,253 секунды.

Помимо навыков поиска оптимальных решений, Морган акцентируется на выработке умения работать в команде, ведь именно в коллективе предстоит трудиться будущим инженерам. Сложные задачи даются группам учеников, которые вынуждены быстро распределять роли: кто программирует, кто разрабатывает концепты, кто собирает модели, кто координирует весь проект.

Фишка Моргана Хайнца — задача для целого класса, конвейер. Каждая отдельная группа делает свой кусок, а затем они сопрягаются между собой, например передают друг другу теннисный мяч. Или, что ближе американцам, собирают на конвейере настоящий гамбургер.

Еще одна любимая тема Хайнца — арт-роботы, которые рисуют кистью и красками, автономно передвигаясь по листу бумаги. Для решения этой задачи требуются нетривиальные знания из совершенно разных областей — живописи, кинематики, программирования, геометрии, математики, инженерии.

Для простейшей демонстрации Морган просит уральских педагогов собрать простейшего робота и запрограммировать его на то, чтобы он точно проехал под столом. Для этого нужно уметь вычислять длину окружности и точно рассчитывать количество оборотов шагового двигателя. Ура, ура! — слышатся из разных уголков класса радостные крики. Проехали, получилось! Взрослые люди радуются как дети, снимая своих роботов на мобильные телефоны.

Статья «Детский сад навсегда» опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2014).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.