Робототехника в школе. Обзор продуктов и решений

Робототехника применяется на самых разных уровнях образования. Оборудование, используемое для занятий, многообразно и в наших обзорах мы попытаемся представить только основных производителей российского рынка. В этой статье речь пойдет об оборудовании для основной и старшей школы, то есть предназначенное для детей возраста 10 +. Про оборудование для начального и дошкольного образования мы поговорим в других статьях, которые вы сможете найти на странице спецпроекта «РобоКласс».

Обзор получился очень большой,  поэтому по всем конструкторам, наборам и комплектам мы смогли показать только основные нюансы. Конечно, гораздо больше информации можно найти на сайтах производителей и поставщиков, но уверены, что сориентироваться в общем массиве имеющегося на рынке оборудования данная статья поможет. Любую информацию, которую читатель не найдет в этой статье, мы с удовольствием предоставим в комментариях к материалу по запросу. Итак, давайте начнем.

Лего (LEGO Education), Дания

Lego – основоположники робототехники, специалисты именно этой компании первыми создали робототехнические конструкторы еще в далеком 1998 году. И по сей день Lego является признанным лидером в сегменте массовой робототехники. Сейчас в линейке продуктов компании есть несколько предложений для обучения робототехнике, но более пристальное внимание стоит обратить на два из них.

Классическим решением для образования от Lego является базовый набор Lego Mindstorms Education EV3 (именно с линейки Mindstorms началась история образовательной робототехники), который предназначен как для работы в классе, так и для дополнительного образования детей возраста 10+. Набор включает около 500 элементов Lego, микрокомпьютер, сервомоторы и датчики, в том числе ироскопический и ультразвуковой, света/цвета и два датчика касания. Lego Mindstorms может быть интегрирован с персональным компьютером и использует графический язык программирования LabVIEW компании National Instruments, кроме того, может поддерживать MicroPython, Java или C++, но в этом случае потребуется дополнительно приобрести программное обеспечение. В состав комплекта входят учебные материалы на русском языке, в том числе 48 готовых занятий и 30 уроков для проектной деятельности в рамках изучения предмета Технология, а также задания по темам: «Инженерные проекты», «Космические проекты», «Физические эксперименты».

–Заслуживает внимания также  базовый набор SPIKE Prime. Это новинка, выпущенная на рынок в прошлом году, которая специально разработана для обучения по направлениям STEAM в 5-7 классах школы. Набор включает более 500 элементов LEGO, программируемый на основе языка Scratch многопортовый хаб для подключения датчиков цвета, расстояния и силы, а также три мотора и комплект учебно-методических материалов с конспектами примерно 400 готовых уроков. Расширить возможности SPIKE Prime можно за счет ресурсного набора, а также учебного модуля «К соревнованиям готовы!».

МэйкБлок (MakeBlock), Китай

Поставщик – ООО «Цифровые системы» — DIGIS (Россия).

Makeblock — частная китайская компания, основанная в 2012 г. со штаб-квартирой в Шэньчжэне. Продукция Makeblock продается более чем в 140 странах мира, основным среди которых является США.

Самым объемным набором из всей линейки продуктов Makeblock является Ultimate Robot Kit V2.0Он совместим с Arduino и Raspberry Pi, подходит для проектной деятельности и углубленного обучения. Набор позволяет собрать 10 конфигураций робота, например, роботизированная рука на гусеничном ходу, робот-бармен, робот-исследователь, «умный» штатив, балансирующий робот и другие. В состав комплекта входят более 160 деталей 80-и типов, в том числе плата MegaPi, 3 двигателя, роботизированная рука, различные датчики. Программирование осуществляется в визуальной среде (Windows, Mac OS, Linux) с возможностью перехода на язык Python.,. Программное обеспечение предоставляется бесплатно, также доступны обучающее видео, инструкция, руководство пользователя, методическое пособие и рекомендации.

Собрать различные виды манипуляторов, имитации животных, машины и механизмы позволит робототехнический набор Makeblock Motionblock [А1]Standard Edition,  основу которого составляетпроизводительный контроллер ESP32 и SMART-сервоприводы.  Руководство пользователя представлено в виде электронных анимированных 3D-схем в приложении Makeblock и содержит 10 вариантов роботов: горилла, собака, змея, боксёр, гусеница, манипулятор, катапульта, автомобиль, погрузчик, охранник. Собранный робот может работать как в программируемом, так и непрограммируемом режимах. Программирование осуществляется в визуальной среде mBlock 5 на компьютере с операционными системами Windows, Mac OS, Linux, имеется возможность перехода на язык Python. Освоить программирование поможет цикл вебинаров Makeblock. Модули набора совместимы с Lego.

Научные развлечения, Россия

Научные развлечения, пожалуй, один из самых известных отечественных производителей учебного оборудования. Компания уделяет большое внимание разработкеинструктивных и методических материалов, которые существенно упрощают жизнь педагогами и помогают легко заинтересовать ребенка. Компания имеет собственное производство в России..

В первую очередь стоит обратить внимание на робототехнические наборы для сборки НАУРОБО «Сигвей» и «Манипулятор».

НАУРОБО «Сигвей» предназначен для детей 11 + и позволяет собрать мобильную колесную платформу с горизонтальным и вертикальным позиционированием на базе контроллера Intel Genuino 101 (совместим с Arduino). В ходе сборки дети изучат основы механики, электроники, алгоритмики и физики, а также программирования в Arduino, диалект языка С++, смогут разобраться с особенностями монтажа электрических схем и нюансами протоколов передачи данных.

НАУРОБО «Манипулятор» — робототехнический набор для сборки модели двух координатного манипулятора. Аналогичен «Сигвей», но отличается тем, что обладает рукой-манипулятором.

Тем, кто осваивает робототехнику «с нуля» стоит обратить внимание на набор «НАУРОБО» для сборки роботов и изучения программирования на языке Scratch, Си и G с применением возможностей робототехники. Это не просто набор, а целый курс, посвященный, в первую очередь, математической стороне программирования и обработке данных, нежели просто сборке прибора, которая ограничена только подключением датчиков. Набор позволяет создавать программы для работы с цветным сенсорным дисплеем, например, для анимации и графиков. Программирование осуществляется на простейшем визуальном языке, доступном при любой степени подготовки. Чтобы немного погрузить ребенка в мир программирования, окно программы делится на две части: в одной будет визуальное программирование, а в другой код на языке Си.

Говоря о продукции компании Научные развлечения, невозможно обойти вниманием образовательный набор «Квадрокоптер» для детей от 12 лет, реализованный на базе конструкторов Artec (Япония). Набор позволяет собрать из кубиков модель программируемого дрона и предназначен как для школ, так и для секций робототехники.  Программирование выполняется на языке С++. Методические материалы содержат подробные сценарии лабораторных работ. Этот набор был представлен на выставке EDIX в Токио и так поразил посетителей, что с 2021 года поставляется в школы Японии.

Роббо, Россия

Российская компания – разработчик и производитель наборов робототехники, производственные мощности которой расположены в России (Санкт-Петербург) и Финляндии, проекты компании поддерживаются правительством Финляндии и Японии. Кроме того, многим известны кружки и секции Роббо Клуб, которые также управляются компанией Роббо.

Конструктор «ROBBO платформа» подходит детям 10+ и представляет из себя модульную систему на базе контроллеров Arduino, которую можно изменять под различные задачи. На платформе имеются магнитные площадки, позволяющие крепить датчики (до пяти одновременно), в том числе фоторезисторы, датчики касания, линии и многие другие. Это простой конструктор, позволяющий за несколько минут собрать робота, а еще за 10 минут написать первую программу к нему в среде Scratch. Для более опытных пользователей доступно изготовление модулей и более сложные программы на «взрослых» языках программирования, например, Lazarus (Pascal). Проект является открытым и свободным — чертежи, программы и исходные коды бесплатны. Конструктор позволяет не только продемонстрировать детям азы алгоритмики и программирования, но также разобраться с основами схемотехники и физики.

Для продвинутых пользователей компания предлагает набор «РОББО Робоплатформа с дополнениями» – это расширенный комплект описанного выше конструктора, в который дополнительно включены ультразвуковой датчик, датчики цветов RGB фронтальный и нижний, манипулятор, а также панель совместимости с Lego.

Оборудование может быть дополнено методическими материалами — электронный учебно-методический комплекс из 30 уроков издательства Российский учебник для детей от 7 до 10 лет.

Роботрек, Россия

Этот бренд был создан российской компанией Брейн Девелопмент в 2012 году и объединяет не только производство, но и сеть из более 100 детских клубов, а также Всероссийский фестиваль по робототехнике для детей «Деталька». Компания предлагает несколько интересных наборов.

Для детей 10 + подойдет набор «Мой Робот», включающий два Arduino-совместимых контроллера (отечественный Трекдуино) и Raspberry Pi, инфракрасный пульт дистанционного управления роботом, а также имеет возможность управления с телефона или планшета на Android с помощью встроенного в контроллер Bluetooth-модуля и специального приложения. Набор поддерживает программирование в среде Scratch и Роботрек IDE (блочная среда на базе Arduino IDE), но реализовать эту возможность получится только с операционной системой Windows.

Робототехнический комплекс «Роботрек Базовый» (для детей 12-16 лет) комплектуется на базе конструктора HUNA-MRT (Корея). Работа с комплексом разделена на два этапа. В первый входит освоение базовых принципов робототехники и теоретических основ механики, физики, информатики, изучение принципов работы исполнительных устройств, работы контроллера, а во второй – цикл занятий, построенных по принципу проектов и сгруппированных по возрастам с изучением смежных областей, в том числе химии, биологии и других.

Все продукты компании поддерживаются серьезными методическими материалами, среди них рабочая программа, сценарии занятий, презентации, а также обучающие видео, схемы сборки моделей.

Кроме того, стоит обратить внимание на самоучитель по программированию, который включает 42 задания на программирование мобильной платформы для детей 11 +.

СЭС (SES Scientific Educational Systems), Израиль

Эксклюзивный представитель ООО «Твои образовательные решения» (Россия)

SES – это производитель учебного оборудования из Израиля с многолетним опытом работы на рынке образования. Компания специализируется на цифровых лабораториях и робототехнике. Все робототехнические наборы SES совместимы с датчиками цифровой лаборатории PROLog, которые можно приобрести дополнительно или использовать уже имеющиеся в школе.

Базовый робототехнический набор SENSE TPS-3739 выполнен с использованием конструктивных элементов Fischertechnik. Позволяет собирать современные системы программируемых механизмов и роботов, использующих контроллеры управления ROBO-206 (программируются с использованием блочного редактора RobocklySense). В состав набора входят: программируемый контроллер, конструктивные элементы, шестерни, валы, электродвигатели, датчики касания, света, светодиоды, комплект шасси, комплект проводов и другие элементы, всего более 500 штук. В комплекте также поставляются методические пособия для педагога для обучения на базовом и продвинутом уровнях сложности.

Робототехнический набор SENSE-MAKE позволяет конструировать современные программируемые робототехнические системы, используя управляющие блоки, исполнительные механизмы и датчики. В состав набора входят: программируемый контроллер, электродвигатели, блоки серводвигателей, фототранзистор, светодиоды, устройство звуковой сигнализации, комплект шасси и проводов, аккумулятор. Также, как и в предыдущем наборе, поставщик предоставляет подробные методические материалы для педагогов и тренеров.

Наборы для обучения программированию на языках Си, Arduino, Python дополнительно включают модули для программирования на языке Си, адаптерный модуль для интеграции с Arduino, модуль Wi-Fi, модуль захвата объектов, генератор инфракрасного сигнала и приемник. Блочный редактор RobocklySense позволяет транслировать программы, созданные в блочном варианте на языки Python, JavaScript, XML. Все наборы сопровождаются методическими пособиями с готовыми сценариями уроков.

ТРИК образовательные наборы, Россия

Производитель ООО «КиберТех» (Россия)

КиберТех – это отечественный производитель оборудования и программных продуктов для робототехники. Компания является резидентом Сколково. На платформе среды программирования TRIK Studio регулярно проводятся соревнования: Олимпиада НТИ, Олимпиада Innopolis Open, RoboMarathon, Робофест и Робофинист.

Стоит обратить внимание на наборы «Стартовый», Робофутболист, Малый образовательный, Образовательный. Используя эти наборы, дети смогут собрать «сегвей», робота для игры в футбол, манипуляторы, внедорожники (в зависимости от набора), которые автономно перемещаются, обходят препятствия и могут транслировать изображения со своей камеры на смартфон или компьютер. Каждый набор укомплектован контроллером ТРИК и встроенным в него гироскопом и трехосевым акселерометром, также в комплект входят металлические детали для сборки, электромоторы, датчики касания, датчики расстояния, видеомодули, аккумуляторы, провода, карты памяти, наборы крепежа. Программирование осуществляется в  среде TRIK Studio.

Производитель также предоставляет методические пособия с готовыми уроками, инструкции по сборке и программированию.

Фишертехник (Fischertechnik), Германия

Поставщики: ООО «ПакПак» (Россия), ООО «Рене» (Россия).

Конструктор Fischertechnik был изобретен профессором Артуром Фишером давно, в 1964 году. В образовании он считается «взрослым» решением. Этот конструктор может использоваться даже для моделирования производственных процессов. Для школы компания предлагает несколько решений, давайте рассмотрим их подробнее.

«STEM PREP 2.0 Физика, Робототехника, Экотехнологии» – это робототехнический конструктор, который подойдет детям 9 +. С его помощью можно освоить самые разные темы, в том числе преобразование и хранение энергии, основы электричества, системы автоматического управления. В набор входят: BT контроллер, электронный модуль, мотор XS, мини-мотор, компрессор, солнечный мотор, две солнечные батареи, ионистор Gold Cap, светодиоды, фототранзистор, фоторезистор, переключатели. Программное обеспечение ROBO Pro Light.

«STEM Инженерный» – еще один набор, но уже для старших классов средней школы (14 +). Конструктор предназначен для изучения следующих тем: механика, электроника, введение в программирование, автоматическое управление, сенсорные системы, двигатели и другие объекты управления, основы автоматики и робототехники, мобильная робототехника и мехатроника. Конструктор включает TXT контроллер, программное обеспечение ROBO Pro, USD-камеру, несколько видов моторов, компрессор, светодиоды, два электромагнитных клапана, вакуумную присоску, оптический датчик света, фототранзисторы, термистор, кнопочные переключатели, аккумулятор.

Хотелось бы рассказать чуть подробнее также о наборе «TXT Интернет вещей». Это решение для основной школы (дети 9 +) предназначено для изучения таких актуальных тем, как умный дом, интернет вещей, индустрия 4.0, многоуровневое программирование, облачное хранение данных. В состав комплекта входит стационарная станция со множеством датчиков и поворотной камерой, которая может измерять температуру, влажность, давление воздуха и его качество, а также определять уровень шума и освещенности. Система способна оповещать о превышении заданных предельных значений, а камера может контролировать помещение, и при наличии движения включать тревогу и делать фотоснимки. Если приобрести TXT контроллер с программным обеспечением к нему и подключить к сети Wi-Fi, то через облачный сервер можно сохранять данные от датчиков и открывать их в виде графиков, находясь в любой точке мира.

Управляющие программы для «умного» дома составляются в среде разработки ROBO Pro на графическом языке программирования в виде блок-схем. Методическое пособие представалено в виде рабочей тетради.

Экзамен-Технолаб, Россия

Экзамен-Технолаб – это отечественная компания с большим опытом работы в области робототехники, была основана в 2007 году. Предлагает разнообразные решения для всех ступеней образования, в том числе конструкторы, коптеры и даже манипуляторы. Робототехнические модули компании поставляются в рамках федеральных проектов. Компании принадлежат эксклюзивные права на реализацию на территории России, Казахстана и Белоруссии оборудования VEX Robotics Inc.

Рассматривая линейку продуктов компании, в первую очередь стоит обратить внимание на образовательные робототехнические модули «Начальный уровень», «Базовый уровень», «Профессиональный уровень», «Исследовательский уровень» и «Экспертный уровень». Они существенно различаются друг от друга, давайте кратко рассмотрим каждый.

Модуль «Начальный уровень» разработан на базе решений VEX IQ (США для детей возраста 9–12 лет. С ним ученики смогут освоить базовые навыки в области проектирования и моделирования объектов. Пособие для обучающихся содержит инструкции по сборке, а также настройке джостика.

Модуль «Базовый уровень» использует программируемый Arduino контроллер – Iskra Neo «Амперка» и VEX EDR (США),предназначен для детей возраста 12–15 лет и представляет собой открытую платформу для создания робототехнических комплексов для образовательной, соревновательной и исследовательской деятельности. С его помощью можно разобраться с основами программирования в среде Arduino IDE, а также начать работать с языком Си, то есть уже не просто составлять блоки в визуальном редакторе, а начать писать программы с помощью кода. Для работы с комплектом требуется знание основ программирования.

Модули «Профессиональный уровень», «Исследовательский уровень» и «Экспертный уровень»предназначены для детей 14 +. «Профессиональный» и «Исследовательский» разработаны на базе комплектующих компании ROBOTIS (Корея) и контроллера СМ-530. Среда программирования в данном случае – это RoboPlus (Си-подобный язык) или LabWiev. Модуль «Экспертный уровень» выполнен на базе VEX Robotics, его комплектующие представлены в трехмерном формате для моделирования и разработки конструкций в специальных программах (Autodesk), используется контроллер ARM Cortex-M3, программируемый помощью языка Си в средах ROBOTC или easyC.

Отметим, что программное обеспечение для всех модулей не русифицировано, но это навряд ли будет являться препятствием для современных детей, а скорее подстегнет их к обучению основной терминологии на английском.

Стоит также обратить внимание на образовательный робототехнический модуль «Аэро», который предназначен для обучения школьников основам проектирования, управления и программирования современными системами воздушной робототехники (коптеры).

И завершить обзор хотелось бы одним исключительно интересным решением – это многофункциональный настольный манипулятор с обратной связью DOBOT Magician (Китай). Это образовательная версия серьезного промышленного оборудования, которая имеет возможности для 3D печати, лазерной гравировки, обладает функцией плоттера, то есть может писать и рисовать. Кроме того, благодаря сменным насадкам DOBOT Magician  оборудован пневмохватом и манипулятором. Это оборудование имеет специализированное программное обеспечение, которое включает 13 расширяемых интерфейсов и поддерживает работу более 20 языков программирования.

На что еще обратить внимание

На фоне крупных поставщиков и производителей робототехнического учебного оборудования иногда легко не заметить локальных игроков, которые предоставляют новые, яркие и зачастую прорывные идеи и продукты. Говоря о небольших компаниях и брендах, хотели бы выделить несколько интересных решений.

Одно из них – развивающий комплекс «Небо в кармане» на базе ЖУЖА NANO от ООО «Байт-Самара» (Россия). Комплекс предназначен для освоения основ дроностроения и авиамоделирования детьми 10 +. Продукт дает возможность ознакомиться с приемами SCRATCH-программирования полетов и модификации аппаратов посредством 3D-печати. Для старшего возраста возможно программирование в среде Python, знакомство с машинным зрением и программами телеуправления дроном. В составе комплекса имеются поурочные материалы и учебники в формате GITbook.

Еще один интересный конструктор отечественного производителя – учебный набор квадрокоптера от ООО «Коптер Экспресс Технологии». Программирование осуществляется в среде Scratch, Python и С++ кодированием с использованием системы Linux. Комплект был специально разработан для выполнения тестового задания компетенции «Эксплуатация БАС» по стандартам WorldSkills Россия.

Посмотрим набор для сборки коптера «Геоскан Пионер» от ООО «ПЛАЗ» (Россия). Это коробочное решение, которое включает модули управления беспилотными аппаратами, программирования автономного полета, обработки данных аэрофотосъемки, построения трехмерных моделей объектов и решения прикладных задач. В состав комплекта входят методические пособия, разработанные практикующими специалистами.

Завершим наш обзор необычным роботом  российского производителя ООО «ТехноСтандарт». Это подводный робот-конструктор «Океаника КИТ». Конструктор включает набор деталей для сборки полнофункционального телеуправляемого подводного аппарата с бортовым компьютером, комплект инструкций, необходимое программное обеспечение, полноценный учебный план для дошкольной, начальной и средней школы по программе «Подводная робототехника и экология морской воды», а также раздаточный материал для учащихся и набор тестов для проверки знаний, основанный на программном решении генерации тестов-квизов.

Источник