LEGO Mindstorms NXT 2.0 Schrijver: Meia Wippoo Doelgroep: bovenbouw basisonderwijs Datum: 2 maart 2012
Inhoudelijke omschrijving en achtergrond LEGO Mindstorms is onderdeel van de technische lijn van LEGO en bevat een serie van kits met soft- en hardware om kleine programmeerbare robots mee te maken. Het product is voortgekomen uit een programmeerbaar blokje dat ontstond in het MIT Media Lab. De eerste generatie van Lego Mindstorms werd gebouwd rond een blokje dat de RCX (Robotic Command explorer) werd genoemd. Dit blok werd opgevolgd door Mindstorms NXT. Deze kit bestaat uit 577 onderdelen, waaronder 3 servo-motoren, 4 sensoren, 7 verbindkabels, een USB-kabel en NXT Intelligent Brick, de hersenen van het machientje. De meeste recente generatie Mindstorms is de NXT 2.0. Deze set bevat 619 onderdelen, waaronder meerdere motoren en sensoren. Hierbij zijn ook een paar nieuwe sensoren toegevoegd zoals de Kleur Sensor. De kits van LEGO Mindstorms NXT 2.0 zijn uitermate geschikt voor het gebruik in het onderwijs. De robots zijn op meerdere vakgebieden in te zetten. Met name in het reken- en natuurkundeonderwijs komt LEGO Mindstorms goed van pas. Met Mindstorms NXT 2.0 is het mogelijk om techniek op een inspirerende manier in de klas te brengen. Van het maken van eenvoudige programma's tot het uitvoeren van complexe robottaken. Kinderen kunnen dus zelfstandig met Mindstorms aan de slag. Door de ingebouwde hulp in de software leren kinderen stap voor stap de mogelijkheden van LEGO Mindstorms NXT 2.0 ontdekken. Daarnaast worden er ook altijd bouwinstructies meegeleverd om de standaard robots mee te bouwen. Door het slepen en koppelen van iconen in het computerprogramma stellen leerlingen zelf een handelingenprogramma samen. Vervolgens kan met per icoon de instellingen van bijvoorbeeld een motor veranderen. Het programma kan snel via bluetooth of USB naar het model worden gestuurd. Ook is het mogelijk om delen van het programma te testen op het model. Zo leren kinderen snel inzicht te krijgen in de gevolgen van het programmeren. Het programmeren van de steen is eenvoudig, icoon gebaseerd en de software bevat diverse manieren om van hele eenvoudige opdrachtjes tot moeilijkere opgaven techniek te ontdekken. De Mindstorms NXT steen is gemakkelijk te integreren in bouwwerken die volgens het technische principe van LEGO gebouwd worden. Dit betekent dat er stevige modellen gebouwd kunnen worden. Er is al aardig wat lesmateriaal ontwikkelend voor Mindstorms en LEGO heeft ook een hele educatielijn in het assortiment. Uiteraard is het leuk dat leerlingen zelfstandig kunnen bouwen aan een robot, maar het mooiste is het natuurlijk als je het gebruik van Mindstorms in een breder lesverband kunt 2
inzetten. Onderstaande lessenreeks is een voorbeeld hiervan. Doelgroep en vakgebied Bovenbouw basisonderwijs Reken- en techniekonderwijs mediawijsheid Doel van de lessen In vier lessen van elk ongeveer een uur leren de leerlingen over programmeren, robots en het gebruik van technische hulpmiddelen in het algemeen, in dagelijks gebruik. De lessen zijn meteen achter elkaar uit te voeren maar ze kunnen ook over 4 of 2 dagen verspreid worden. De belangrijkste vragen die in de lessen worden belicht: - Wat is een apparaat? - Wat is een robot? - Wat is het verschil tussen een apparaat en een robot? - Wanneer zijn robots nuttig? - Wat is programmeren? - Hoe kun je sensoren gebruiken? - Welk probleem wil je kunnen oplossen? - Rekensommen maken met Mindstorms (programmeren) Les onderdelen: - Droog werken met robots (onderzoek en brainstorm) - Oefenen met sensoren. Waar moet de robot op reageren? - Oefenen met programmeren. Wat moet de robot precies doen? - Bouwen van de robot - Programmeren van de robot Materialen - Computer met Mindstorms software - Bouwpakket Mindstorms NXT 2.0 - gewone bouwlego - Sensoren - Knutselmateriaal - tijdschriften Voorbereiding - Zo mogelijk 3 of 4 computers beschikbaar met zoekmachines - Software geïnstalleerd op die computers: Mindstorms - 1 volledig in elkaar gezette Mindstorms-robot (les 2) Duur 4 x 60 minuten Lesindeling Les 1: Onderzoek & Inspiratie Les 2: Oefenen met Programmeren & Sensoren Les 3: Ontwerpen & Bouwen 3
Les 4: Programmeren & Testen Verloop van Les 1: 1. Inleiding en discussie (20 minuten) De les begint met een gespreksronde. De leerlingen gaan in eerste instantie met de hele groep brainstormen over de concepten robot en apparaten. Wat stellen zij zich bij een robot voor? Kunnen ze voorbeelden noemen? Wat kunnen deze voorbeelden? Waar zouden ze zelf een robot voor willen gebruiken? Wat zijn nuttige toepassingen voor robots? Afhankelijk van de groep kun je ook iets verder door filosoferen over hoe robots een rol in ons leven kunnen spelen. Vervolgens gaan de leerlingen zich opdelen in groepjes van vier. In die groepjes gaan ze samen brainstormen over hun robot. Achtergrond: Een robot is een programmeerbare machine, die meerdere verschillende taken uit kan voeren. Hierin verschilt het van een numerieke machine, een apparaat, die is geprogrammeerd voor één taak. In de praktijk betekent het dat een robot voor verschillende toepassingen kan worden ingezet, waar een numerieke machine slechts een (deels variabele) taak kan uitvoeren. Op het meest basale niveau zijn mensen uit 5 onderdelen opgebouwd. We hebben het in dit geval over puur het fysieke niveau, en niet over de ongrijpbare eigenschappen als intelligentie of moraal: - een lichamelijke vorm - een spierenstelsel om het lichaam te bewegen - een zintuiglijk systeem dat informatie verzameld over het lichaam en de omringende omgeving - een krachtbron om de spieren en zintuigen te activeren - een hersensysteem dat de zintuiglijke informatie verwerkt en de spieren vertelt wat te doen Een robot is uit dezelfde vijf onderdelen opgebouwd: - het heeft een bewegelijk lichaam (een fysieke structuur) - een soort motor - een sensorsysteem - een krachtaanvoer - en een computer als hersenen In essentie zijn robots door mensen gemaakte versies van het dierlijke leven: het zijn machines die het gedrag van mens en dier repliceren. De robotica is de tak van de wetenschap die zich met het ontwikkelen en bestuderen van robots bezighoudt. 2. Onderzoeken en Mindmappen (40 minuten) De leerlingen gaan nu in hun groepjes onderzoek naar robots en apparaten verrichten en informatie verzamelen over de robot die zij willen maken. Dit doen ze door gebruik te maken van de verschillende zoekmachines, maar ook door hun eigen fantasie te gebruiken. Laat de gedachten van de kinderen de vrije loop. Ideeën kunnen altijd nog terug gebracht worden. Met de gevonden informatie bouwen de leerlingen een mindmap (door bijvoorbeeld popplet.com te gebruiken) of een fysieke collage op. Dit 4
knutselwerk vormt de basis voor de robot die de leerlingen met hun groepje zullen gaan bouwen in de volgende lessen. Voorbeelden van verschillende robots (echt en fictief): 5
6
NB. Het onderwerp van deze lessenreeks is de robot op zichzelf en de leerlingen zullen uiteindelijk tijdens deze les hun fantasierobot gaan maken. Maar er kan ook met behulp van deze stappen een ander onderwerp of vakgebied worden uitgelicht. Bijvoorbeeld ter ondersteuning voor het vak biologie. In plaats van het bouwen van een fantasierobot kan ook een beest nagebouwd worden. De leerlingen maken dan geen mindmap van het begrip robot, maar van bijvoorbeeld een konijn. Ze onderzoeken dan wat hij moet kunnen (springen, rennen) en hoe zijn lijf is opgebouwd (grote oren, grote achterpoten). Op deze manier onderzoeken de leerlingen de anatomie van een dier, en zullen ze die kennis gaan inzetten bij het bouwen van de konijnrobot. Een andere optie is om de les Mindstorms in te zetten bij een les over kettingreacties. Tijdens de brainstorm leren de leerlingen over het fenomeen kettingreactie en moeten ze bedenken aan welke voorwaarden een bouwwerk moet voldoen om een kettingreactie te kunnen veroorzaken. Als deze basisles al een keer uitgevoerd is dan kan voor een vervolginvulling, zoals bijvoorbeeld het maken van een beest, les 2 overgeslagen worden. 7
Verloop van Les 2: 1. Conclusie mindmap/collage (10 min) Aan het begin van de tweede les bekijken de leerlingen met de hele groep alle collages die er gemaakt zijn. De groepjes leggen hun eigen mindmap uit en de andere groepjes geven hun commentaar of feedback. Met deze kennis gaan de leerlingen aan de slag met LEGO Mindstorms. De leerlingen kunnen naar aanleiding van de collages ook vast nadenken over een opdracht die hun robot zou moeten kunnen vervullen, bijvoorbeeld in het kader van een rekenles. Het bouwpakket van Mindstorms bestaat uit twee onderdelen: het fysieke bouwpakket, met daarin de bouwstenen, de sensoren en het breinblok, het computertje die de robot gaat aansturen, en de software voor op de computer om de handelingen van de robot mee te programmeren. Met beide onderdelen moeten de leerlingen handig worden om hun robot te kunnen bouwen. Voor deze les moet de docent al een robot met zo veel mogelijk werkende sensoren in elkaar gezet hebben. De leerlingen kunnen met die robot het eea. uitproberen wat betreft programmeren en de werking van sensoren. 8
2. Werking sensoren uitzoeken (10 min) In het bouwpakket van Mindstorms zitten verschillende sensoren. Elke sensor registreert een ander soort waarde. De leerlingen moeten gaan bedenken welke sensor ze voor welke situatie gaan gebruiken. Dit doen ze in eerste instantie door via de software uitleg te krijgen over de verschillende sensoren in het bouwpakket. Wanneer de leerlingen deze kennis goed tot zich genomen hebben kunnen ze gaan oefenen met programmeren. 3. Oefenen met programmeren (30 min) De leerlingen hebben een robot die door de docent in elkaar gezet is tot hun beschikking. Met de meegeleverde software kunnen de leerlingen verschillende handelingen van deze robot programmeren. De uitleg voor de werking van de software en het programmeren wordt met het pakket meegeleverd. 9
Laat de kinderen veel uitproberen zodat ze een goed idee krijgen van wat er mogelijk is met de programmering. Laat ze ondertussen ook aantekeningen maken, of programmeer-flows natekenen. Wanneer ze aan hun eigen robot gaan werken kunnen ze deze kennis meenemen. 4. Ontwerp robot maken (10 min) Met de kennis die de leerlingen hebben opgedaan in het programmeren en over de sensoren, in combinatie met hun eigen eerste ontwerp en inspiratiemateriaal in hun collage, gaan de leerlingen nu echt hun eigen robot ontwerpen. De volgende les wordt geheel besteed aan het bouwen van de robot. Als er nog speciale eigenschappen aan de robot moet worden toegevoegd, die niet in het basispakket van Mindstorms zitten, maar die de leerlingen wel willen toevoegen, moet nu ook een boodschappenlijstje gemaakt worden. De leerlingen kunnen dan voor de volgende les eventueel die onderdelen van huis meenemen, om op school zoeken. Ter inspiratie enkele robots en toepassingen met LEGO Mindstorms NXT 2.0: 10
En wat voorbeelden van Mindstorms NTX 2.0 aangevuld met eigen huis- tuinen keukenmateriaal: Verloop van Les 3: 1. ontwerp robot uitwerken (10 min) De leerlingen gaan het ontwerp voor hun robot, waar ze vorige les mee begonnen zijn, uitwerken. In het geval dat de les Mindstorms wordt ingezet voor het rekenonderwijs dan moet de robot minstens 1 rekenopdracht kunnen vervullen. Dit kan variëren van het tellen van gekleurde balletjes tot het kunnen belopen van een vastgesteld parcours. De groepjes kunnen er ook voor kiezen de verschillende robots op elkaar te laten reageren, door bijvoorbeeld elkaar uit de weg te gaan bij een dreigende botsing of door ze te laten stoppen bij treffen en elkaar te groeten. De leerlingen verdelen taken en zoeken de juiste onderdelen bij elkaar. Elk groepje moet in ieder geval een breinblok tot hun beschikking hebben, en voldoende bouwmaterialen. Daarnaast kunnen de leerlingen nog hun eigen onderdelen toevoegen, mocht dat nodig zijn. 2. Robot bouwen (50 min) De ontwerpen worden door de groepjes uitgewerkt tot een robot. De docent loopt rond voor begeleiding, maar in principe moeten de leerlingen zelfstandig een robot kunnen bouwen. 11
Verloop van Les 4: 1. Robot afronden (10 min) De leerlingen leggen in deze les de laatste hand aan het bouwen van de robot. Ze kunnen nu nog wat eigen elementen toevoegen zodat de robot helemaal origineel wordt. Wanneer de fysieke robot klaar is en er een inventarisatie is gemaakt van de elementen die geprogrammeerd moeten worden kan er met de computer aan de slag worden gegaan. 2. Robot programmeren (30 min) Dit onderdeel spreekt voor zich. De leerlingen gaan met de software aan de slag om hun eigen robot te programmeren. Als het goed is weten ze precies wat ze moeten doen. Je kunt ze nog op hun aantekeningen wijzen die ze in les 2 hebben gemaakt, als ze even niet meer weten hoe een specifieke programmering moet gaan. 12
3. Robot uitproberen (10 min) Als de robots allemaal geprogrammeerd zijn kunnen de leerlingen hun robots in actie zien. Doen ze ook allemaal wat ze moeten doen? 4. Lessen nabespreken (10 min) Als de robots rondrijden en de taken verrichten die ze moeten doen, kun je met de groep gaan nabespreken. Is het de leerlingen gelukt om hun robot alles te laten doen dat ze wilden? Wat werkte niet goed? Wat vinden ze goed aan hun eigen robot, en wat is goed aan de robots van de andere groepjes? Snappen ze hoe alle andere groepjes de robot hebben geprogrammeerd? Hoe zouden ze elkaars robot beter kunnen maken. Extra: Er zou nog een les gewijd kunnen worden aan 2.0 versies van de robots. De groepjes kunnen bijvoorbeeld aan de robot van een ander groepje werken om verbeteringen aan te brengen. 13