Архив Галактики

Школа жизни и сопромата

legoedurus's blog / 14.11.2014

LEGO – одна из известнейших игрушечных компаний мира. Тем не менее LEGO Education – это гораздо больше, чем просто игрушка. Наборы, в основе которых лежит роботизированный конструктор третьего поколения Lego Mindstorms, специально разработаны для школ и содержат не только строительные блоки и компьютерный контроллер EV3, но и интереснейшие методические пособия для учеников и учителей.
Благодаря LEGO Education школьники на интуитивном уровне усваивают сложнейшие понятия, над которыми бьются студенты старших курсов технических вузов. Вот лишь некоторые из них.

1. Масштаб
Придумав продукт, будь то вантовый мост, космическая ракета или промышленный станок, инженер должен решить, какого он будет размера. Следует принять во внимание не только потребности заказчика, но также прочность и гибкость материалов. Если конструкция из LEGO будет слишком маленькой, вряд ли получится точно воплотить задуманную форму (например, кривые линии будут слишком ступенчатыми). А если слишком большой — она окажется хрупкой или на нее просто не хватит деталей.



2. Сопоставимые величины
Роботам часто приходится делать несколько вещей одновременно — к примеру, перемещаться в пространстве и поднимать груз. При этом возникает необходимость сопоставлять угловые и линейные величины: количество оборотов колеса и пройденное по плоскости расстояние, угол поворота сервопривода и вертикальное перемещение груза. Эти процессы «из разных вселенных» должны завершаться за строго одинаковое время. Можно, конечно, подобрать нужные скорости, но удобнее освоить тригонометрические вычисления, чтобы точно и быстро рассчитывать сложные параметры.

3. Статические и динамические нагрузки
Лучший способ почувствовать разницу между статическими и динамическими нагрузками — самостоятельно построить робота. Одно дело возвести неподвижное здание, и совсем другое — соорудить движущийся механизм с постоянно изменяющимися центром тяжести и точками приложения силы. Процессорный блок EV3 достаточно тяжел, чтобы предъявлять вполне взрослые требования к качеству опорных конструкций.

4. Алгоритм
Человек способен делать несколько вещей одновременно или по крайней мере хаотично переключаться между ними — читать учебник, играя в компьютерную игру и болтая с другом по телефону. Программирование роботов учит мыслить структурно, выявляя причинно-следственные связи и расставляя приоритеты. Понимание циклов, переключателей, условных операторов и многозадачности пригодится не только в технических профессиях, но и в экономике, менеджменте, праве.


Графический интерфейс программирования LEGO Education позволяет переставлять элементы программы, как кубики. Несмотря на кажущуюся простоту, он позволяет реализовать по-взрослому сложные алгоритмы с использованием циклов, многозадачности, математических операторов и шин данных. Между прочим, при изучении алгоритмов студенты технических вузов пользуются похожими блок-схемами.

5. Сжатие и растяжение
Знание о том, какие материалы работают на сжатие, а какие на растяжение, лежит в основе архитектуры и сопромата. Благодаря им некоторые мосты и здания выглядят так, будто законы физики писаны не для них. Работая с LEGO, будущий конструктор усваивает эти принципы интуитивно: без учета сжатия и растяжения невозможно построить ни одной мало-мальски прочной модели.

6. Мощность, сила и скорость
В наборе LEGO Mindstorms всего три электродвигателя, однако построенные из него роботы могут передвигаться с разной скоростью, поднимать предметы тяжелее собственного веса или бросать легкие снаряды. Экспериментируя с LEGO, ребенок узнает, насколько широк диапазон сил и скоростей, которых можно добиться с помощью шестерен, шкивов, блоков и рычагов.

7. Крепеж и прочность
Далеко не каждый взрослый понимает, что из одного и того же количества кирпичей можно построить как шаткий, так и прочный дом — все зависит от того, кладешь ли кирпичи строго друг над другом или с перекрытием. Создавая большие конструкции из LEGO, будущий инженер учится располагать точки крепления максимально эффективным и экономным способом.

8. Обратная связь
Чтобы запрограммировать сложное поведение робота, нужно изучить, как именно его сенсоры реагируют на окружающую среду. Скажем, чтобы научить машину ехать по черной линии, необходимо выяснить, какое значение датчик света выдает на черном и какое на белом цвете. Блок управления Mindstorms позволяет напрямую передавать информацию с датчиков в компьютер и обрабатывать их в виде графиков и осцилограмм. Регистрация показаний с датчиков освещенности, температуры, влажности и т. д. поможет в изучении физики, химии и биологии.

9. Модернизация
Постройка робота — это всегда исследовательский процесс. Первые, да и последующие испытания практически всегда показывают, что в конструкции необходимо что-то изменить. Но разбирать робота целиком, а затем проектировать и собирать заново — не лучшее решение. Важно научиться находить способ внести минимальные изменения в уже существующую конструкцию, чтобы она соответствовала новым требованиям.

10. Биомеханика
Некоторые модели из набора LEGO Education изображают животных и помогают лучше понять природу. Ребенок может разобраться, каким образом ползает змея или какие нагрузки испытывает скелет слона при ходьбе, построив их из конструктора. Эти знания пригодятся в жизни: опытные инженеры знают, что у природы всегда есть чему поучиться.



Автор: Александр Эллинский, "Популярная механика"